美國高級健康研究計劃局 (ARPA-H) 計劃向斯坦福大學投入2630萬美元,以資助研究人員在五年內開發出可功能化應用的生物打印人類心臟,并將其植入活豬體內。
斯坦福大學心血管研究所成員、項目首席研究員、生物工程助理教授馬克·斯凱拉-斯科特(Mark Skylar-Scott)說:“該項目的難度堪比登月計劃,用于生物打印完整而復雜的人體器官的原材料現在已經到位,可以推動這一項目快速發展?!?
多年來,定制針對患者的人體器官(肝臟、肺、腎臟、大腦,還有人類心臟)一直是現代醫學的一個愿景。但隨著最近干細胞科學(細胞培育和3D生物打印技術)的發展,才使得定制器官的夢想變得觸手可及。
斯凱拉-斯科特說:“有了血管生成系統,就有能力制造大而厚的組織,可以植入生物體內并存活,生物制造器官的時代就這樣開始了?!?
生物打印技術的飛躍
生物打印技術和材料在過去十年中取得了巨大發展,因為 3D 打印總體上已經在先進制造的所有領域取得了進展。然而,還有很多工作要做,從足夠的血管分布到細胞活力,再到需要同時從各個側面進行打?。w積打?。?,而不僅僅是局限在平面層上打印。世界各地(甚至太空實驗室)的研究團隊都在聚焦解決這些問題,ARPA-H 和斯坦福大學認為這一重大注資將加速生物打印器官行業的發展。
在細胞培育技術進步的推動下,更先進的生物打印技術與細胞規?;a技術相結合,從舊的培養皿到今天能夠一次生產數十億個心臟特異性細胞的反應器。這些將成為生物打印機的“墨水”。斯凱拉-斯科特說:“我們將使用自動化生物反應器庫來生產不同類型的心臟細胞?!?
這組生物反應器將產生數十億個心室和心房心肌細胞、形成浦肯野纖維的專門傳導細胞、心臟起搏細胞的結細胞、以及支持組織發育的平滑肌細胞、巨噬細胞,以及當然,血管內皮細胞需要維持組織的活力。斯凱拉-斯科特估計,該團隊每兩周就能為心臟產生足夠的細胞。
斯凱拉-斯科特說:“我們將利用這些大量的細胞來研究心臟的所有設計規則,并在整個心臟范圍內優化細胞組織活力和功能,最終植入豬體內。生物打印的人類心臟將被移植到患有嚴重先天性免疫缺陷的豬體內,以防止排斥反應。然而,該團隊的方法使用患者特異性干細胞,當移植到同一患者體內時,可能不需要免疫抑制。你自己的心,由你自己的細胞組成,這就是生物打印技術的魅力?!?
ARPA-H 和斯坦福大學合作項目促使人們憧憬有一天,類似的生物制造工廠能夠制造出新的心臟、肺、肝臟和其他器官,用于植入患者體內——每個生物打印的器官都與其患者的基因完美匹配。斯凱拉-斯科特表示,這樣的愿望是可以預料到的,但他補充說,他相信這一天即使不是更久,也還需要幾十年的時間。盡管如此,這項生物打印計劃仍將作為加速器官工程商業化和轉化的必要而有力的概念驗證。
專業知識生態系統
對這種可能性的討論讓斯凱拉-斯科特重新面對未來的挑戰。生物打印心臟并將其植入生物體內相對容易,困難的部分是確保生物打印器官植入后該生物繼續存活。實現這一目標需要大量的專業知識,遠遠超出任何一位研究人員的技能。在這方面,斯凱拉-斯科特重返斯坦福大學研究生態系統,這使得該項目成為可能。
雖然斯科特是該項目的首席研究員,但由 ARPA-H 資助的 RPA-H 斯坦福大學專家組成的完整團隊將夢想變為現實,其深度和廣度都令人驚嘆。它包括工程學、生物化學、計算機建模、心臟病學、心胸外科、生物學、材料科學等領域的專家。只有斯坦福大學將領導力集中在所有這些相互獨立但又相互關聯的領域,這些領域彼此相距不遠。
Skylar-Scott 表示,斯坦福大學是心血管醫學領域真正的卓越中心,心血管研究所、干細胞衍生專業知識和血管專家提供原材料,并結合 3D 生物打印和材料教師的良好生態系統,思考如何使用和使用組裝材料。最后,他總結道:“當你將所有這些資源集中在一個地方時,就可以更輕松地進行協作并完成一些令人驚奇的事情?!?
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