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解析3D打印推动现代医学进步

近几年来,3D打印技术的问世以及普及,给科学技术的发展以及人们的日常生活带来了前所未有的便利。在生物医学研究与临床治疗领域,3D打印技术的贡献也是功不可没,下面小编就对这一领域的最新进展做一下盘点。

1. Circulation Res:重磅!3D打印补丁或有望修复心脏病患者受损的心脏

近日,发表在国际杂志Circulation Research上的一篇研究报告中,来自明尼苏达大学等机构的研究人员通过研究开发出了一种具有革命性的3D生物打印补丁,其能够帮助修复心脏病发作后患者的出现疤痕的心脏组织,该研究对于后效治疗心脏病发作患者机体的组织损伤非常关键。

据美国心脏协会数据显示,心脏病是引发美国人死亡的头号凶手,其每年会引发超过36万人死亡;在心脏病发作期间,患者机体的血流往往不会泵入到心脏肌肉中,从而就会引发心脏细胞死亡;我们的机体无法替换掉这些心肌细胞,因此机体的心脏中就会形成疤痕组织,从而就会使得患者处于心脏功能受损以及未来暴发心力衰竭的风险之中。

这项研究中,研究人员利用基于激光的3D生物打印技术将衍生自成体心脏细胞的干细胞掺入到了一种特殊支架中,这种干细胞就能够在特殊支架生长,并且在实验室的培养皿中还可以实现同步跳动。当将细胞补丁置于模仿心脏病发作的小鼠模型机体中时,研究者发现在接下来四周时间里小鼠机体的心脏功能发生了明显的增加,由于这种补丁是由心脏中土生土长的结构蛋白和细胞组成,其会转变成为心脏中的一部分并且被机体所吸收,这样就可以让患者免于手术了。

研究者Brenda Ogle说道,这是治疗心脏病的一项巨大突破,未来我们或许应该扩展到对大型动物的心脏进行修复,比如人类。这项研究不同于此前研究的一点就在于研究者能够根据原始心脏组织的数字三维结构蛋白开发出这种补丁,这种数字模型能够通过3D打印技术制造出心脏天然的物理结构,未来或有望对衍生自干细胞的心脏细胞类型进行整合,仅利用3D打印技术,研究人员就能够达到一微米的分辨率来模拟原始心脏组织的结构。

研究者非常惊讶这种3D补丁能够让心脏组织具有复杂性,他们也能够观察到支架中排列整齐的细胞,以及跨越补丁结构的持续电信号波。最后Ogle说道,下一步他们还将通过更为深入的研究来开发在猪心脏中进行检测的大型补丁,而猪的心脏和人类心脏在尺寸上非常相似。

2. J Neurointerv Surg:颅内动脉的3D打印模型推动高分辨MRI的进步

来自南卡罗琳娜医科大学的中风神经学家们与与来自麻省理工学院的生物工程师合作完成了一个颅内狭窄动脉的3D仿真模型。这一模型可以被用于规范高分辨MRI扫描的诊断方法。相关结果发表在最近的《Journal of NeuroInterventional Surgery》杂志上。

高分辨的血管壁MRI技术主要用于研究脑血管中的斑块成分,对于颅内动脉粥样硬化的病理分析具有重要的作用。然而,由于高分辨MRI的操作流程一直以来不够规范,使得不同诊疗单位之间无法共享数据。因此该技术没有得到长足的发展。

为了解决这一问题,来自南卡罗琳娜医科大学的神经学家Turan与来自麻省理工学院的生物工程师们合作设计了一款颅内动脉仿真血管模型。该模型能够逼真地反映颅内动脉的狭窄状态以及内部存在的斑块结构。目前,该模型正在各大研究所广泛研究,并将用于建立标准化的MRI诊疗方法。文章中的成像试验结果分别来自于6项美国境内的医学试验以及两组来自于中国的医学试验。

精细的“操作平台”是建立高分辨MRI成像技术标准流程的重要前提条件。然而,要想完成这一平台的设计需要若干年的时间。对于研究者们来说,下一个重点研究的问题是在不同的生产厂商出品的MRI仪器之间建立能够相互识别的网络。

中国是该“平台”的共享地之一,同时也是颅内动脉粥样硬化高发的国家之一。Turan正在与协和医学院的研究者们建立合作,利用更多的试验数据完善这一基于3D模型建立的平台。“只有加强合作,才能够更快地取得进展,而这一平台为我们的合作提供了有利的工具”,Turan说道。

3. Biomaterials:什么?菠菜可以用来做心脏组织?

研究人员已经成功地使用菠菜叶来造出具有完整血管、能输送血液的的功能良好的人体心组织。为了解决捐助器官长期的短缺问题,科学家一直致力于在实验室里培养各种组织甚至整个器官。 但是培养细胞只是解决方案的一部分 ——如果没有恒定的血液供应,他们根本就不会茁壮成长。

构建可以工作的精细血管(也称为脉管系统)网络是非常困难的,特别是毛细血管,只有5到10微米宽。 血管的功能是传输这些组织样本所需的氧气和营养。现在由伍斯特理工学院(WPI)的科学家领导的团队已经通过使用植物中已存在的微小的静脉网络,将菠菜叶成功地转化为活的心脏组织。

科学家在他们的文章中写道:“植物和动物用来输送液体、化学物质和大分子的方法从根本上是不同的,但是在血管网络结构方面也有惊人的相似之处。“研究人员不用试图从头开始构建脉管系统,他们只需剥离菠菜叶,直到仅剩将叶子保持在一起的精细纤维素结构。

植物中的纤维素是实验室生长样品中使用的重要材料,因为它已经被很好地研究过,与生物组织相容,而且还便宜--植物资源非常丰富且容易生长。 在这项研究里,科学家是在当地市场上购买的菠菜。为了获得菠菜的细小血管结构,该团队通过在叶子中循环一种洗涤剂溶液来将植物细胞冲走,这个过程称为脱细胞。
首席研究员Joshua Gershlak说:“我之前已经对人类心脏进行了脱细胞化工作,当我看着菠菜叶时,它让我想到主动脉。”“所以我想,让我们来灌注植物的茎。我们一开始不确定它会奏效,但事实证明这个方法是容易且可复制的,它在许多其他植物上也奏效。”

该团队还剥离了欧芹和甜蒿的叶子,并在花生植物毛根中也用了此技术。他们期望通过进一步的研究,让为不同的组织选择不同的植物成为可能——例如,木材的结构可能在骨骼工程中是有用的。为了在真实的组织样品中测试纤维素支架,他们最终使用菠菜,因为它和心脏组织一样具有高密度的输送管。研究人员将菠菜叶血管结构与心肌细胞接种,他们兴奋地看到,在几天之内,心脏细胞就像人体组织一样开始自发收缩。

Gershlak说:“现在的想法是,既然我们已经得到具有血管网络的非常薄而平坦的组织,所以我们应该能够叠加多个叶子并创建一块心脏组织。”心脏组织移植对于心脏病发作后,心脏已经损伤、不能再愈合的患者是有用的。到目前为止,这项研究只是一个概念证明,而且该团队仍在寻找将其与活的人体组织结合在一起的方式。研究人员写道:“目前尚不清楚植物脉管系统如何融入人身上的脉管系统,以及是否存在免疫反应。”但该团队总体来讲还是十分乐观的。

WPI实验室的生物医学研究员Glenn Gaudette说: “我们真的相信这种支架能够帮助治疗。 我们还有更多的工作要做,但到目前为止这是非常有希望的。”“此方法简单到只需要资源丰富的菠菜叶,并把它变成一种有血液流经的组织,这真是非常令人兴奋的,我们希望它能够在此领域取得重大进展。 “这不是科学家在培养组织时第一次在植物上寻求启发——加拿大渥太华大学的Pelling实验室去年成为头条新闻,他们的项目是用苹果切片生长人类耳朵。

而不仅仅是生物组织科学家们在植物系统内部探索——上个月,研究人员成功地发展了一个“机器人玫瑰”,其茎叶和叶子内部具有电子循环功能。使用菠菜也不是创建人体组织血管网络的唯一方法。 科学家一直在研究使用3D打印来创建血管,并且刚刚有少量成功案例被报道。时间会证明,哪种方法在实验室外更可行,但这绝对是一个令人兴奋且瞩目的发现。

4. mBio & eLife:利用小型3D球体模型就能够有效抵御结核病

近日,来自南安普敦大学等机构的研究人员通过研究开发了一种在实验室用于研究人类机体感染的新型3D模型,文章中研究人员利用静电封装技术制造出了一种小型3D球体,其能够在被结核分枝杆菌(TB)感染的人类细胞中产生密切反映患者机体疾病的状况,相关研究刊登于国际杂志mBio和eLife上。
这种新型3D球体能够帮助研究人员深入研究机体感染结核病时所发生的事件,同时研究者也希望基于本文研究结果开发出新型的抗生素疗法和抵御结核病的疫苗。研究者Paul Elkington教授说道,这是结核病研究领域的一项重大研究进展,这种3D球体能够在胶原蛋白基质中被创建以便其看起来和人类肺部非常相似,与此同时也能够产生一种特殊环境来使得治疗患者的特殊抗生素能够有效杀灭引发肺结核的细菌,目前这在其它2D模型系统中还无法实现,这种新系统或将加速研究人员寻找治疗人类结核病新型疗法及开发疫苗的速度。
此外,这种新型3D球体结构还能够将整个实验过程延长至三周,是标准2D模型系统的4倍多,还能够为科学家们提供更多信息来阐明患者机体感染的发生过程以及不同干预措施对患者疾病的效果。

下一个阶段研究人员希望同位于德班的非洲卫生研究院的研究人员进行合作研究,目前在德班有着较高的结核病发病率,而且研究人员也希望尽快引入这种3D模型来对高风险结核病患者机体的细胞进行深入研究。

研究者Elkington补充道,我们很高兴能够对研究进一步扩展,并且联合多个专家开发新一代的实验室系统来用于更多疾病的研究,尤其是那些在资源匮乏国家中比较流行的传染性疾病;同时我们也将利用所开发的新型3D模型来同对临床样本进行研究的工程学和生物学方法进行整合,最终开发出用于研究人类机体感染的全新系统。

来自非洲卫生研究院的研究人员Al Leslie博士表示,目前我们同很多传染病专家以及工程师在一起工作,我们坚信通过长期的联合研究定能在结核病领域的研究取得突破性的研究成果,同时我们也希望能够开发出新型疗法来有效抵御结核病的传播,当然本文中所开发的新型3D模型也将会加速我们在抵御致死性疾病传播领域的发现步伐。

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