華人科學家發(fā)明3D打印干細胞心臟補丁，可與天然心臟融為一體

 上個月，美國心臟協(xié)會（American Heart Association）出版的《Circulation Research》雜志上刊登了一篇研究，阿拉巴馬大學伯明翰分校（UAB）的張建一（ Jianyi Zhang）博士（研究的通訊作者）和明尼蘇達大學的Brenda Ogle博士的團隊共同研發(fā)出了一個以干細胞為基礎的，可以修復心臟損傷的3D打印“心臟補丁”[1]！研究的作者是張建一博士實驗室的博士后Ling Gao，博士畢業(yè)于上海交通大學。

張建一博士（右，曾就讀于上海醫(yī)科大學，現(xiàn)為復旦大學上海醫(yī)學院）和Brenda Ogle博士（左）
“心臟補丁”當然是為了修補心臟而生的，在一些心臟病發(fā)作的時候，患者的血液不能泵入心肌，心肌細胞就會“缺血而死”，即使患者被搶救了回來，但是大量心肌細胞的死亡還是會使心臟上出現(xiàn)“疤痕”，導致心臟功能受損。而我們的心臟又無法自己產(chǎn)生新的細胞去修復疤痕。更“糟心”的是，死亡的心肌組織會“牽連”周圍的肌肉，使得“疤痕”慢慢擴大，為以后埋下了不小的安全隱患[2]。
目前，無論是美國，還是中國，心臟病都已經(jīng)成為死亡率高的一類疾病，每年，美國有36萬人因心臟病死亡，我國更是超過300萬，平均每5例死亡中就有2例是由于心臟病[3]。在這樣的大背景下，一些研究人員開始著手研究怎樣“人為地簡單快速修補心臟”。
目前，用干細胞來治療疾病已經(jīng)是很“火熱”的研究方向了，心肌修復也不例外。過去已經(jīng)有許多科學家嘗試了簡單移植干細胞的方法，但是干細胞移植后成功分化并存活的比例實在是不高，而且移植后的功能性如何、能不能進行電信號的傳導都缺少驗證[1]。而這兩個重要的點在新的研究中都取得了一定的進步。
首先，研究人員對小鼠心肌組織的細胞外基質(zhì)（ECM）進行了3D掃描，ECM是由一些多糖、蛋白質(zhì)構成的網(wǎng)架結(jié)構，分布在細胞表面和細胞間，起到連接組織結(jié)構、調(diào)節(jié)組織和細胞生理活動的作用。基于掃描結(jié)果，研究人員用生物可降解材料打印出了模擬小鼠心肌組織ECM的“支架”。
尤其值得一提的是，在研究中使用的掃描技術可以將分辨率＜1μm的點準確的投射到打印材料上，因此打印出來的“支架”與小鼠本身的ECM是高度相似的。而且這也是將這種掃描技術成功地應用于組織工程支架的制造上。
有了支架這個“載體”，我們的干細胞就有了“據(jù)點”，大量的干細胞被放在支架上，形成了真正的“心臟補丁”。干細胞采用的是由人的心臟成纖維細胞重編程而來的誘導性多能干細胞（hiPSCs），放在支架上后，再誘導它們按照正常組織內(nèi)細胞的2:1:1的比例分化為心肌細胞、平滑肌細胞和內(nèi)皮細胞。

D：3D打印出的支架；E：長滿了細胞的支架；兩圖右下角均為局部放大
這樣制作出來的補丁被研究人員簡稱為hCMP，在體外實驗中，研究人員觀察到它可以“與天然的心臟組織融為一體”，所攜帶的細胞的電信號傳遞也十分順利。此外，研究人員證實，分化出的心肌細胞在“支架”上的7天存活率與目前常用的培養(yǎng)hiPSCs的Matrigel培養(yǎng)基是相差無幾的。

細胞在不同培養(yǎng)基上的存活率變化，黑色菱形為Matrigel培養(yǎng)基，黑色方塊為hCMP，黑色三角為聚乙二醇，白色三角為牛心包膜

接下來，研究人員選擇了心肌梗塞（MI）的小鼠模型進行試驗，將它們分為3組，一組用2個hCMP治療，一組用2個不攜帶細胞的純支架進行治療，還有一組作為空白對照，不接受任何治療。hCMP和純支架都放置于發(fā)生過梗塞的部位，并且通過脫細胞處理的牛心包膜（包裹牛心臟的一層皮狀組織，脫細胞后不含任何細胞，避免對實驗結(jié)果產(chǎn)生干擾）將其固定在梗塞位置，避免移動。
結(jié)果顯示，在治療進行1周時，“移植”成功的細胞大概占24.5±2.6%，到第4周下降到11.2±2.3%。盡管發(fā)生了不小的下降，但是這個比例仍然比過去報道過的心肌細胞移植研究的比例（3-4天就從6.9%下降到了2%）[4]要高得多。
在第28天，研究人員對小鼠進行了超聲心動圖檢查，來評估受損心臟功能的恢復，MI+hCMP組的小鼠果然是恢復好的一組，兩個重要參數(shù)——左心室射血分數(shù)（代表了心肌的收縮能力，收縮能力越強，射血分數(shù)越大，＜50%為功能受損）和左心室短軸縮短率（同樣為衡量心室收縮能力的參數(shù)，＜25%為功能受損）都明顯高于另外兩組；而且梗塞部位的面積也明顯減小了。

B、C：正常小鼠、心肌梗塞（MI）小鼠、置入純支架MI小鼠和置入hCMP的MI小鼠（由上至下）的左心室射血分數(shù)（B）和左心室短軸縮短率（C）的對比；D：心肌組織切片染色圖（順序由左至右同B、C），BP為牛心包膜
對于他們的研究成果，Ogle博士表示，這項研究與以前類似的研究不同，因為這個“補丁”是以天然心臟組織的結(jié)構為模板，經(jīng)過先進的3D掃描和打印技術制作出來的，它的物理結(jié)構與“原生結(jié)構”相似度非常高。只有這種類型的3D打印才能夠?qū)崿F(xiàn)1μm級的分辨率，“完美地”模擬“原生結(jié)構”。再加上誘導性多能干細胞，可以按照研究人員的要求分化出所需的3種類型的細胞，這種“巧妙的”結(jié)合讓他們的實驗獲得了成功。

Ogle博士（右）和她的學生，本次研究的參與者之一，Molly Kupfer（左）展示“心臟補丁”
“心臟十分復雜，一開始我們對這個‘補丁’的工作效率是感到忐忑的，” Ogle博士說。“但是當我們看到細胞在支架中排列的整整齊齊，并且完整、順利的傳導了電信號的時候我們得到了極大的鼓勵?！盵5]

基于目前的成功，研究人員已經(jīng)開始著手開發(fā)更大的“補丁”，他們接下來的目標是在豬的心臟中進行測試，因為它與人類的心臟大小相似，這是“心臟補丁”邁入臨床的重要一步。
參考資料
[1] Gao L, Kupfer M, Jung J, et al. Myocardial Tissue Engineering With Cells Derived from Human Induced-Pluripotent Stem Cells and a Native-Like, High-Resolution, 3-Dimensionally Printed Scaffold[J]. Circulation Research, 2017: CIRCRESAHA. 116.310277.

[2] https://www.uab.edu/engineering/home/209-news/1237-two-uab-papers-featured-in-circulation-research

[3] 陳偉偉，高潤霖，劉力生,等. 《中國心血管病報告2015》概要. 中國循環(huán)雜志, 2016, 31: 624-632.

[4] Nguyen PK, Riegler J, Wu JC. Stem cellimaging: from bench to bedside. Cell Stem Cell. 2014;14:431–444. doi:10.1016/j.stem.2014.03.009.

[5] https://twin-cities.umn.edu/news-events/3d-printed-patch-can-help-mend-broken-heart