《Science》：斯坦福大學(xué)為3D打印心臟設(shè)計(jì)器官尺度的血管網(wǎng)絡(luò)模型
時(shí)間：2025-06-15 10:01 來(lái)源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年6月14日，來(lái)自斯坦福大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種更快、更精確的血管系統(tǒng)建模和打印方法，解決了利用患者自身細(xì)胞制造可移植器官的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。他們的方法以題為“Rapid model-guided design oforgan-scale synthetic vasculature for biomanufacturing”的論文發(fā)表在頂級(jí)雜志《科學(xué)》上。新的設(shè)計(jì)平臺(tái)能夠以比以往更快的速度生成與我們?cè)谌梭w中實(shí)際看到的相似的設(shè)計(jì)，并能夠?qū)⑦@些設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為3D打印機(jī)的指令。
據(jù)斯坦福大學(xué)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)有超過(guò)10萬(wàn)人在器官移植名單上，其中一些人需要等待數(shù)年才能獲得器官，而另一些人甚至可能撐不過(guò)等待。即使器官匹配良好，人體也有可能產(chǎn)生排斥反應(yīng)。為了縮短等待時(shí)間并降低排斥反應(yīng)的可能性，再生醫(yī)學(xué)研究人員正在開(kāi)發(fā)利用患者自身細(xì)胞按需制造個(gè)性化心臟、腎臟、肝臟和其他器官的方法。
確保氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能夠到達(dá)新生器官的每個(gè)部分是一項(xiàng)持續(xù)的挑戰(zhàn)。斯坦福大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出新的工具，用于設(shè)計(jì)和3D打印極其復(fù)雜的血管樹，這些血管樹負(fù)責(zé)將血液輸送到整個(gè)器官。
斯坦福大學(xué)工程與醫(yī)學(xué)院道格拉斯·M·和諾拉·萊什曼心血管疾病教授、兒科和生物工程教授、論文共同通訊作者艾莉森·馬斯登說(shuō)道：“目前，生物打印組織的規(guī)模化能力受限于能否為其生成血管——如果不提供血液供應(yīng)，就無(wú)法擴(kuò)大這些組織的規(guī)模。我們能夠使生成血管的算法運(yùn)行速度比以往方法快約 200 倍，并且可以生成器官等復(fù)雜形狀的血管。”
器官尺度的脈管系統(tǒng)
當(dāng)血液被泵送到體內(nèi)某個(gè)器官時(shí)，它會(huì)從大動(dòng)脈流向越來(lái)越細(xì)的分支血管，在那里與周圍組織交換氣體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。在大多數(shù)組織中，細(xì)胞需要在一根頭發(fā)絲的寬度內(nèi)才能生存，但在心臟等代謝需求旺盛的組織中，這個(gè)距離甚至更小——一個(gè)毫米大小的立方體中可能有超過(guò) 2500 條毛細(xì)血管。所有這些微小的血管最終都會(huì)重新匯合，然后離開(kāi)器官。
這些血管網(wǎng)絡(luò)并非標(biāo)準(zhǔn)化；器官形狀各異，即使是兩顆大小相似的心臟之間也存在很大差異。到目前為止，構(gòu)建一個(gè)適合獨(dú)特復(fù)雜器官的真實(shí)血管網(wǎng)絡(luò)模型一直非常困難，而且極其耗時(shí)。許多研究人員轉(zhuǎn)而依賴標(biāo)準(zhǔn)化的晶格，這些晶格在小型工程組織模型中效果良好，但規(guī)模化程度不高。
馬斯登和她的同事們構(gòu)建了一種算法，可以創(chuàng)建與原生器官血管結(jié)構(gòu)高度相似的血管樹，并通過(guò)他們的SimVascular開(kāi)源項(xiàng)目將該軟件開(kāi)放給所有人使用。他們結(jié)合了流體動(dòng)力學(xué)模擬，以確保血管系統(tǒng)能夠均勻分布血液，并成功縮短了生成網(wǎng)絡(luò)所需的時(shí)間，同時(shí)避免了血管之間的碰撞，并創(chuàng)建了一個(gè)只有單一入口和出口的閉環(huán)。
馬斯登實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者、論文共同第一作者扎卡里·塞克斯頓說(shuō)道：“我們花了大約五個(gè)小時(shí)才生成一個(gè)用于構(gòu)建人體心臟血管的樹狀計(jì)算機(jī)模型。我們能夠達(dá)到這樣的密度：模型中任何一個(gè)細(xì)胞距離最近的血管大約只有100到150微米，這相當(dāng)不錯(cuò)。該設(shè)計(jì)包含一百萬(wàn)條血管。這項(xiàng)任務(wù)以前從未有人做過(guò)，用以前的算法可能需要幾個(gè)月的時(shí)間。”
雖然3D打印機(jī)尚無(wú)法打印如此精細(xì)密集的網(wǎng)絡(luò)，但研究人員已經(jīng)能夠設(shè)計(jì)并打印一個(gè)包含500個(gè)分支的血管模型。他們還測(cè)試了一個(gè)更簡(jiǎn)單的版本，以確保其能夠維持細(xì)胞存活。研究人員使用3D生物打印機(jī)，制作了一個(gè)裝滿人類胚胎腎細(xì)胞的厚環(huán)，并構(gòu)建了一個(gè)由25條血管貫穿其中的網(wǎng)絡(luò)。他們將一種充滿氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的液體泵入該網(wǎng)絡(luò)，成功地使靠近血管網(wǎng)絡(luò)的大量細(xì)胞存活。
生物工程助理教授、論文共同通訊作者馬克·斯凱拉-斯科特（Mark Skylar-Scott）說(shuō)道：“我們證明了這些血管可以被設(shè)計(jì)、打印，并能夠維持細(xì)胞的活性。我們知道還需要進(jìn)一步研究來(lái)加快打印速度，但現(xiàn)在我們已經(jīng)擁有了這條流程，可以非常高效地生成不同的血管樹，并創(chuàng)建一套打印它們的指令。”
生物打印心臟
研究人員很快注意到，這些血管網(wǎng)絡(luò)還不是功能性血管——它們是通過(guò) 3D 矩陣打印的通道，但它們沒(méi)有肌肉細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞或任何其他需要自行運(yùn)作的細(xì)胞。
Skylar-Scott 實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者、論文共同第一作者 Dominic Rütsche 說(shuō)道：“這是朝著生成真正復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)邁出的第一步。我們可以打印出前所未有的復(fù)雜程度的血管，但它們還不是完全的生理性血管。我們正在努力實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。”
將這些設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為功能性血管，只是斯凱拉-斯科特及其同事正在開(kāi)展的生物打印功能性人類心臟的眾多工作之一。他們還在探索如何促進(jìn)最微小的血管（那些太小或間距太近而無(wú)法打印的血管）自行生長(zhǎng)，改進(jìn)3D生物打印機(jī)的性能，使其速度更快、精度更高，并培養(yǎng)打印完整心臟所需的大量細(xì)胞。
斯凱拉-斯科特說(shuō)道：“這是整個(gè)過(guò)程中至關(guān)重要的一步。我們已經(jīng)成功地利用人類干細(xì)胞生成了足夠多的心臟細(xì)胞，足以打印出完整的人類心臟。現(xiàn)在，我們可以設(shè)計(jì)出一個(gè)良好、復(fù)雜的血管樹，來(lái)維持這些細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)和生命。我們現(xiàn)在正積極地將細(xì)胞和血管系統(tǒng)以器官的規(guī)模結(jié)合起來(lái)。”
(責(zé)任編輯：admin)
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