华人科学家发明3D打印干细胞心脏补丁，可与天然心脏融为一体

 上个月，美国心脏协会（American Heart Association）出版的《Circulation Research》杂志上刊登了一篇研究，阿拉巴马大学伯明翰分校（UAB）的张建一（ Jianyi Zhang）博士（研究的通讯作者）和明尼苏达大学的Brenda Ogle博士的团队共同研发出了一个以干细胞为基础的，可以修复心脏损伤的3D打印“心脏补丁”[1]！研究的作者是张建一博士实验室的博士后Ling Gao，博士毕业于上海交通大学。

张建一博士（右，曾就读于上海医科大学，现为复旦大学上海医学院）和Brenda Ogle博士（左）
“心脏补丁”当然是为了修补心脏而生的，在一些心脏病发作的时候，患者的血液不能泵入心肌，心肌细胞就会“缺血而死”，即使患者被抢救了回来，但是大量心肌细胞的死亡还是会使心脏上出现“疤痕”，导致心脏功能受损。而我们的心脏又无法自己产生新的细胞去修复疤痕。更“糟心”的是，死亡的心肌组织会“牵连”周围的肌肉，使得“疤痕”慢慢扩大，为以后埋下了不小的安全隐患[2]。
目前，无论是美国，还是中国，心脏病都已经成为死亡率高的一类疾病，每年，美国有36万人因心脏病死亡，我国更是超过300万，平均每5例死亡中就有2例是由于心脏病[3]。在这样的大背景下，一些研究人员开始着手研究怎样“人为地简单快速修补心脏”。
目前，用干细胞来治疗疾病已经是很“火热”的研究方向了，心肌修复也不例外。过去已经有许多科学家尝试了简单移植干细胞的方法，但是干细胞移植后成功分化并存活的比例实在是不高，而且移植后的功能性如何、能不能进行电信号的传导都缺少验证[1]。而这两个重要的点在新的研究中都取得了一定的进步。
首先，研究人员对小鼠心肌组织的细胞外基质（ECM）进行了3D扫描，ECM是由一些多糖、蛋白质构成的网架结构，分布在细胞表面和细胞间，起到连接组织结构、调节组织和细胞生理活动的作用。基于扫描结果，研究人员用生物可降解材料打印出了模拟小鼠心肌组织ECM的“支架”。
尤其值得一提的是，在研究中使用的扫描技术可以将分辨率＜1μm的点准确的投射到打印材料上，因此打印出来的“支架”与小鼠本身的ECM是高度相似的。而且这也是将这种扫描技术成功地应用于组织工程支架的制造上。
有了支架这个“载体”，我们的干细胞就有了“据点”，大量的干细胞被放在支架上，形成了真正的“心脏补丁”。干细胞采用的是由人的心脏成纤维细胞重编程而来的诱导性多能干细胞（hiPSCs），放在支架上后，再诱导它们按照正常组织内细胞的2:1:1的比例分化为心肌细胞、平滑肌细胞和内皮细胞。

D：3D打印出的支架；E：长满了细胞的支架；两图右下角均为局部放大
这样制作出来的补丁被研究人员简称为hCMP，在体外实验中，研究人员观察到它可以“与天然的心脏组织融为一体”，所携带的细胞的电信号传递也十分顺利。此外，研究人员证实，分化出的心肌细胞在“支架”上的7天存活率与目前常用的培养hiPSCs的Matrigel培养基是相差无几的。

细胞在不同培养基上的存活率变化，黑色菱形为Matrigel培养基，黑色方块为hCMP，黑色三角为聚乙二醇，白色三角为牛心包膜

接下来，研究人员选择了心肌梗塞（MI）的小鼠模型进行试验，将它们分为3组，一组用2个hCMP治疗，一组用2个不携带细胞的纯支架进行治疗，还有一组作为空白对照，不接受任何治疗。hCMP和纯支架都放置于发生过梗塞的部位，并且通过脱细胞处理的牛心包膜（包裹牛心脏的一层皮状组织，脱细胞后不含任何细胞，避免对实验结果产生干扰）将其固定在梗塞位置，避免移动。
结果显示，在治疗进行1周时，“移植”成功的细胞大概占24.5±2.6%，到第4周下降到11.2±2.3%。尽管发生了不小的下降，但是这个比例仍然比过去报道过的心肌细胞移植研究的比例（3-4天就从6.9%下降到了2%）[4]要高得多。
在第28天，研究人员对小鼠进行了超声心动图检查，来评估受损心脏功能的恢复，MI+hCMP组的小鼠果然是恢复好的一组，两个重要参数——左心室射血分数（代表了心肌的收缩能力，收缩能力越强，射血分数越大，＜50%为功能受损）和左心室短轴缩短率（同样为衡量心室收缩能力的参数，＜25%为功能受损）都明显高于另外两组；而且梗塞部位的面积也明显减小了。

B、C：正常小鼠、心肌梗塞（MI）小鼠、置入纯支架MI小鼠和置入hCMP的MI小鼠（由上至下）的左心室射血分数（B）和左心室短轴缩短率（C）的对比；D：心肌组织切片染色图（顺序由左至右同B、C），BP为牛心包膜
对于他们的研究成果，Ogle博士表示，这项研究与以前类似的研究不同，因为这个“补丁”是以天然心脏组织的结构为模板，经过先进的3D扫描和打印技术制作出来的，它的物理结构与“原生结构”相似度非常高。只有这种类型的3D打印才能够实现1μm级的分辨率，“完美地”模拟“原生结构”。再加上诱导性多能干细胞，可以按照研究人员的要求分化出所需的3种类型的细胞，这种“巧妙的”结合让他们的实验获得了成功。

Ogle博士（右）和她的学生，本次研究的参与者之一，Molly Kupfer（左）展示“心脏补丁”
“心脏十分复杂，一开始我们对这个‘补丁’的工作效率是感到忐忑的，” Ogle博士说。“但是当我们看到细胞在支架中排列的整整齐齐，并且完整、顺利的传导了电信号的时候我们得到了极大的鼓励。”[5]

基于目前的成功，研究人员已经开始着手开发更大的“补丁”，他们接下来的目标是在猪的心脏中进行测试，因为它与人类的心脏大小相似，这是“心脏补丁”迈入临床的重要一步。
参考资料
[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] 陈伟伟，高润霖，刘力生,等. 《中国心血管病报告2015》概要. 中国循环杂志, 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