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]!研究的第一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。
“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最高的一类疾病,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。而且这也是首次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最好的一组,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。
“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
来源:奇点网(微信号 geekheal_com) 作者:应雨妍
为你推荐
资讯 圣因生物完成超 1.1 亿美元 B 轮融资,加速 RNAi 疗法全球布局
本轮融资由知名产业机构领投,国际主权基金、中国生物制药、君联资本等十余家机构跟投,全球制药巨头礼来公司战略入局,高瓴创投、启明创投等现有股东持续加码支持,融资规模创...
2025-12-12 16:59
资讯 投后估值达21.37亿元,实体瘤细胞治疗领军企业君赛生物递表港交所
君赛生物共有5款在研产品,其中核心产品也是进展最快的是GC101,正开展上市前的关键II期临床试验,有望成为国内首个获批上市的TIL细胞创新药
2025-12-12 09:24
资讯 ESMO-IO | ORR达41.7%!君赛生物GC101 TIL治疗晚期后线非小细胞肺癌I期数据首次公布
这不仅是全球首个无需高强度清淋化疗、无需IL-2给药的TIL疗法治疗肺癌的临床研究,也是国内首个公开披露该领域数据的注册性临床研究。
2025-12-12 09:17
资讯 君合盟生物启动重组 A 型肉毒毒素治疗成人上肢痉挛状态临床 III 期试验,并完成首例患者入组
该临床试验由复旦大学附属华山医院李放教授和上海市养志康复医院(即上海市阳光康复中心)靳令经教授联合牵头
2025-12-11 21:06
资讯 Medidata发布全新调研报告:临床试验AI应用价值凸显,超七成用户反馈“达到或超预期”
基于对来自全球制药公司、生物科技公司及合同研究组织(CRO)中超200位核心决策者的深度调研,报告显示,目前AI在改善患者招募、优化数据管理、控制运营成本和提升试验效率等方...
2025-12-11 20:57
资讯 近20年首个全新类别抗菌药物醋酸来法莫林纳入医保,开启中国成人社区获得性肺炎治疗普惠新篇章
该产品继2025年6月30日获得国家药品监督管理局批准用于治疗成人社区获得性肺炎(CAP)后又纳入国家医保目录
2025-12-11 20:50
资讯 专注 “生物学 + AI” ,普瑞基准完成超亿元 D 轮融资,加速 AI 驱动新药研发
本轮融资由信立泰、广投资本、申宏中恒基金联合领投,老股东金谷汇枫、聚翊投资持续跟投
2025-12-10 15:55
资讯 别把“嗜睡”当懒癌!新型促觉醒药翼朗清®获批,专注维持日间清醒
促觉醒药物翼朗清®(盐酸索安非托片)正式获得中国国家药品监督管理局(NMPA)批准,用于改善阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)伴有日间过度嗜睡(EDS)的成人患者的觉醒程度。
2025-12-10 11:04
资讯 复星医药将其GLP-1产品全球化权益授权辉瑞,总里程碑付款近150亿人民币
12月9日晚间,复星医药发布公告称,公司控股子公司药友制药、复星医药产业与辉瑞共同签订《许可协议》,(其中主要包括)由药友制药就口服小分子胰高血糖素样肽-1受体(GLP-1R)...
2025-12-10 09:12
资讯 Capricor Therapeutics公司宣布外泌体疗法Deramiocel在DMD三期中取得积极成果
近日,专注与外泌体疗法的Capricor Therapeutics(纳斯达克代码:CAPR)公司宣布其核心管线Deramiocel在杜氏肌营养不良症关键三期 HOPE-3 研究中取得积极成果。
2025-12-09 16:38
资讯 中药1类创新药剑指抑郁症治疗蓝海,远大医药GPN01360成功达到国内II期临床终点
国产抗抑郁症药物研发取得重大进展。近日,远大医药(0512 HK)的1 1类中药创新药GPN01360国内II期临床研究成功达到临床终点,产品表现出显
2025-12-08 18:27













