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3D打印与干细胞研究推进先天性心脏病的治疗

导读: 生物医学工程博士候选人Aline Nachlas发现了一种可支持阀门单元的3D打印材料。瓣膜是使用来自患者的皮肤细胞制成的,这使得器官排斥的风险降至最低,并且允许器官与患者一起生长,这意味着将永远不需要替换。

先天性心脏病是世界上最常见的先天性缺陷,每1,000名婴儿中几乎有九名患有此病。Michael Davis,乔治亚理工学院和埃默里大学生物医学工程系儿童心脏研究和结果中心(HeRO)主任,致力于利用先进技术解决儿科先天性心脏缺陷,特别是干细胞研究和3D打印。Davis和他的实验室团队处理包括左心发育不良综合征(HLHS)和左心室心肌病。亚特兰大儿童医疗中心(CHOA)一直在为Davis和他的团队提供大量需要新型实验性治疗的儿科心脏病患者。

3D打印与干细胞研究推进先天性心脏病的治疗

Davis说:“对于儿科医生,临床医生非常乐于合作并尝试新的手术和治疗方法。在儿科领域,这些孩子的选择较少,父母和临床医生渴望尝试新疗法。”

Davis的研究包括广泛的干细胞研究。几年前,他注意到在旁路手术期间,少量组织被移除以将旁通管路运送到心脏中,然后丢弃。Davis要求并获准使用该组织进行干细胞研究。然后他开始提取和量化干细胞,发现年轻细胞具有更多的修复特性,并在注射到受损组织时释放愈合蛋白。

Davis首次使用干细胞进行临床试验,自体心脏干细胞注射治疗促发性左心综合征(ACT-HLHS)试验,已经由FDA批准,并将在未来几个月内进行。临床医生会将干细胞注入患有先天性心脏病的婴儿的心脏,以改善心脏的功能。

3D打印与干细胞研究推进先天性心脏病的治疗

“对于HLHS的婴儿,我们做不到让左心室重新生长,而是试图加强和防止现有右心室的恶化,”Davis说。“它让宝宝的修复手术能够成功。”

Davis观察细胞并收集实验室中它们行为的定量数据。他从事脐带血、骨髓和心脏干细胞研究。与佐治亚理工学院综合细胞系统(EBICS)紧急行为的STC多样性总监Manu Platt一起,Davis撰写了一份补助金计划,希望能够在三个不同的临床试验中结合来自患者的所有细胞数据,以创建大型数据库的细胞信号。研究信号也被称为蛋白质分泌物,可以帮助Davis和Platt确定某些细胞在治疗疾病方面的效果。

“这些细胞可以采取多种方式,我们希望收集所有可能的信息,包括它们的基因组以及它们的释放情况,”Davis说。“我们基本上想制定方程式来确定细胞如何响应。我们想把这些数据放在一起来进行治疗预测。”

这些信息将使研究人员能够建立一个数学模型来识别细胞基因组,从而预测细胞在临床环境中的作用。然后他们可以确定这些细胞的最佳特征,并确定他们可以修复哪些疾病。

“如果我们可以研究细胞并分离它们的反应,我们将能够提供干细胞疗法的个性化方法-这是该领域目前所缺乏的,”Davis说。“针对每一个患者,我们可以对他们的细胞进行排序,并立即知道要注射哪些细胞以获得最佳结果。不同的细胞将对每个人产生不同的影响。”

3D打印与干细胞研究推进先天性心脏病的治疗

Davis和他的实验室团队也使用3D打印来制作瓣膜和补丁。生物医学工程博士候选人Aline Nachlas发现了一种可支持阀门单元的3D打印材料。瓣膜是使用来自患者的皮肤细胞制成的,这使得器官排斥的风险降至最低,并且允许器官与患者一起生长,这意味着将永远不需要替换。

“我们希望这些细胞能够打印阀门,或者至少是组成瓣膜的组织,”Davis说。“目前,儿童正在接受动物瓣膜置换术,有时这些瓣膜置换太大,而且他们不能和孩子一起生长。这意味着需要更多的手术可以取代瓣膜,以及高剂量的免疫抑制剂。我们想创造一个与孩子一起生长的活瓣。”

Davis的实验室团队也在研究包含干细胞的3D打印补丁。贴片将所有干细胞保留在一个位置,以便细胞可以修复周围的组织。

Davis说:“很少有人试图用3D打印补丁来治疗。我的实验室处于该研究的前沿。我们正在尝试以合理的方式做出积极的贡献。”

Davis希望在未来的五到十年内更多地关注3D打印,以便他可以推进再生治疗,并尽可能多地将其带到儿科患者身上。

“我的研究可能并不总是以我想要的速度进行,所以我试图记住有一个更大的愿景,”Davis说。“我们已经帮助许多患有冠心病的孩子变得更健康和更强壮。 但是,我总是问自己‘我们能做得更好吗?’”

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