人体细胞3D打印心脏

2020/9/15 15:49:46 本站原创 佚名 【字体:

廖联明   编译

 

在一项突破性的新研究中,明尼苏达大学的研究人员在实验室里3D打印了一个跳动的厘米级人体心泵。这一发现可能对研究心脏病有重大意义,心脏病是美国每年60多万人死亡的主要死因。

这项研究发表在《循环研究》上。


过去,研究人员曾试图3D打印心肌细胞,或称心脏肌肉细胞,这些细胞是从人类的多能干细胞中衍生出来的。多能干细胞是具有分化成体内任何类型细胞的潜力细胞。研究人员将这些干细胞重新编程为心肌细胞,然后使用专门的3D打印机在细胞外基质的三维结构中进行打印。问题是,科学家永远无法达到心肌细胞真正发挥功能的临界细胞密度。

 

在这项新的研究中,明尼苏达大学的研究人员改变了这一过程,并取得成效。

明尼苏达大学科学与工程学院生物医学工程系主任、这项研究的首席研究员Brenda Ogle说:一开始,我们尝试了3D打印心肌细胞,但我们失败了。因此,凭借我们团队在干细胞研究和3D打印方面的专业知识,我们决定尝试一种新的方法。我们优化了由细胞外基质蛋白制成的特殊墨水,将特殊墨水与人类干细胞结合起来,并使用特殊墨水加干细胞来3D打印腔体结构。干细胞首先在腔体结构中扩增到高密度,然后我们将干细胞分化为心肌细胞。”

 

研究小组发现,他们有史以来第一次能够在不到一个月的时间内实现高细胞密度的目标,使细胞群能够同步跳动,像人类心脏一样。

 

同时担任明尼苏达大学干细胞研究所所长的Ogle说:经过多年的研究,我们准备放弃了,然后我的两名生物医学工程博士生Molly KupferWei-Han Lin建议我们先尝试打印干细胞。我们决定再试一次。当我们在实验室里看着培养皿,看到整个干细胞能自发地、同步地收缩,并且能够泵出液体时,我简直不敢相信。

 

Ogle说,这也是心脏研究的一个重要进展,因为这项新的研究表明,他们如何用3D打印心肌细胞的方法,这种方法打印的心肌细胞能够形成组织并协同工作。因为这些细胞是一个接一个地分化,更像是干细胞在体内的生长方式,然后定向分化成心肌细胞。

 

与过去的其他研究相比,Ogle说,这一发现创造了一种结构,就像一个有液体入口和液体出口的封闭囊,这个研究使他们可以观察心脏如何在体内输送血液。这使得该方法成为研究心脏功能的宝贵工具。

Ogle说:我们现在有了一个模型来跟踪和追踪泵结构中细胞和分子水平上发生的事情,这种模型接近于人类的心脏。我们可以将疾病和损伤引入模型,然后研究药物和其他疗法的效果。

 

这个心肌模型长约1.5厘米,是专门设计用来放入小鼠腹腔进行进一步研究的。

Ogle说:所有这些看起来似乎是一个简单的概念,但如何实现这一点却相当复杂。我们看到了其中的潜力,并认为我们的新发现可能会对心脏研究产生变革性的影响。

 

研究人员用真实的人体细胞3D打印了一个跳动的心脏泵

在一项突破性的新研究中,明尼苏达大学的研究人员在实验室里3D打印了一个跳动的厘米级人体心泵。这一发现可能对研究心脏病有重大意义,心脏病是美国每年60多万人死亡的主要死因。

 

这项研究发表在《循环研究》的封面上。

过去,研究人员曾试图3D打印心肌细胞,或称心脏肌肉细胞,这些细胞是从人类的多能干细胞中衍生出来的。多能干细胞是具有分化成体内任何类型细胞的潜力细胞。研究人员将这些干细胞重新编程为心肌细胞,然后使用专门的3D打印机在细胞外基质的三维结构中进行打印。问题是,科学家永远无法达到心肌细胞真正发挥功能的临界细胞密度。

 

在这项新的研究中,明尼苏达大学的研究人员改变了这一过程,并取得成效。

明尼苏达大学科学与工程学院生物医学工程系主任、这项研究的首席研究员Brenda Ogle说:一开始,我们尝试了3D打印心肌细胞,但我们失败了。因此,凭借我们团队在干细胞研究和3D打印方面的专业知识,我们决定尝试一种新的方法。我们优化了由细胞外基质蛋白制成的特殊墨水,将特殊墨水与人类干细胞结合起来,并使用特殊墨水加干细胞来3D打印腔体结构。干细胞首先在腔体结构中扩增到高密度,然后我们将干细胞分化为心肌细胞。”

 

研究小组发现,他们有史以来第一次能够在不到一个月的时间内实现高细胞密度的目标,使细胞群能够同步跳动,像人类心脏一样。

 

同时担任明尼苏达大学干细胞研究所所长的Ogle说:经过多年的研究,我们准备放弃了,然后我的两名生物医学工程博士生Molly KupferWei-Han Lin建议我们先尝试打印干细胞。我们决定再试一次。当我们在实验室里看着培养皿,看到整个干细胞能自发地、同步地收缩,并且能够泵出液体时,我简直不敢相信。

 

Ogle说,这也是心脏研究的一个重要进展,因为这项新的研究表明,他们如何用3D打印心肌细胞的方法,这种方法打印的心肌细胞能够形成组织并协同工作。因为这些细胞是一个接一个地分化,更像是干细胞在体内的生长方式,然后定向分化成心肌细胞。

与过去的其他研究相比,Ogle说,这一发现创造了一种结构,就像一个有液体入口和液体出口的封闭囊,这个研究使他们可以观察心脏如何在体内输送血液。这使得该方法成为研究心脏功能的宝贵工具。

Ogle说:我们现在有了一个模型来跟踪和追踪泵结构中细胞和分子水平上发生的事情,这种模型接近于人类的心脏。我们可以将疾病和损伤引入模型,然后研究药物和其他疗法的效果。

这个心肌模型长约1.5厘米,是专门设计用来放入小鼠腹腔进行进一步研究的。

 

Ogle说:所有这些看起来似乎是一个简单的概念,但如何实现这一点却相当复杂。我们看到了其中的潜力,并认为我们的新发现可能会对心脏研究产生变革性的影响。

 

 

Researchers 3D print a working heart pump with real human cells

 

In a groundbreaking new study, researchers at the University of Minnesota have 3D printed a functioning centimeter-scale human heart pump in the lab. The discovery could have major implications for studying heart disease, the leading cause of death in the United States killing more than 600,000 people a year.

The study is published and appears on the cover of Circulation Research.

 

In the past, researchers have tried to 3D print cardiomyocytes, or heart muscle cells, that were derived from what are called pluripotent human stem cells. Pluripotent stem cells are cells with the potential to develop into any type of cell in the body. Researchers would reprogram these stem cells to heart muscle cells and then use specialized 3D printers to print them within a three-dimensional structure, called an extracellular matrix. The problem was that scientists could never reach critical cell density for the heart muscle cells to actually function.

In this new study, University of Minnesota researchers flipped the process, and it worked.

 

"At first, we tried 3D printing cardiomyocytes, and we failed, too," said Brenda Ogle, the lead researcher on the study and head of the Department of Biomedical Engineering in the University of Minnesota College of Science and Engineering. "So with our team's expertise in stem cell research and 3D printing, we decided to try a new approach. We optimized the specialized ink made from extracellular matrix proteins, combined the ink with human stem cells and used the ink-plus-cells to 3D print the chambered structure. The stem cells were expanded to high cell densities in the structure first, and then we differentiated them to the heart muscle cells."

 

What the team found was that for the first time ever they could achieve the goal of high cell density within less than a month to allow the cells to beat together, just like a human heart.

 

"After years of research, we were ready to give up and then two of my biomedical engineering Ph.D. students, Molly Kupfer and Wei-Han Lin, suggested we try printing the stem cells first," said Ogle, who also serves as director of the University of Minnesota's Stem Cell Institute. "We decided to give it one last try. I couldn't believe it when we looked at the dish in the lab and saw the whole thing contracting spontaneously and synchronously and able to move fluid."

Ogle said this is also a critical advance in heart research because this new study shows how they were able to 3D print heart muscle cells in a way that the cells could organize and work together. Because the cells were differentiating right next to each other it's more similar to how the stem cells would grow in the body and then undergo specification to heart muscle cells.

 

Compared to other research in the past, Ogle said this discovery creates a structure that is like a closed sac with a fluid inlet and fluid outlet, where they can measure how a heart moves blood within the body. This makes it an invaluable tool for studying heart function.

 

"We now have a model to track and trace what is happening at the cell and molecular level in pump structure that begins to approximate the human heart," Ogle said. "We can introduce disease and damage into the model and then study the effects of medicines and other therapeutics."

 

The heart muscle model is about 1.5 centimeters long and was specifically designed to fit into the abdominal cavity of a mouse for further study.

 

"All of this seems like a simple concept, but how you achieve this is quite complex. We see the potential and think that our new discovery could have a transformative effect on heart research," Ogle said.

 

Journal Reference:

In Situ Expansion, Differentiation, and Electromechanical Coupling of Human Cardiac Muscle in a 3D Bioprinted, Chambered Organoid. Circulation Research, 2020; 127 (2): 207 DOI: 10.1161/CIRCRESAHA.119.316155

 

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