3D打印血管使人造器官更接近现实

实验室培养的器官是器官工程的长期“圣杯”，尚未实现，但新的研究使用一种名为co-SWIFT的新3D打印方法使这一目标更接近现实。co-SWIFT打印出双层血管的分支网络，将平滑肌细胞和内皮细胞注入活体人体心脏组织，甚至可以复制患者特异性的血管结构，这表明它有朝一日可以用于个性化医疗。

在体外培养功能性人体器官是器官移植医学长期追求的“圣杯”，但仍然难以捉摸。哈佛大学威斯生物启发工程研究所和约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的新研究使这一探索更接近完成。

一组科学家创造了一种新的3D打印血管网络的方法，该网络由相互连接的血管组成，这些血管具有一个独特的平滑肌细胞和内皮细胞“外壳”，围绕着一个中空的“核心”，液体可以通过这个“核心”流动，嵌入人体心脏组织内。这种血管结构与天然血管结构非常相似，代表着在制造可植入人体器官方面取得的重大进展。该成果发表在《先进材料》杂志上。

“在之前的工作中，我们开发了一种新的3D生物打印方法，称为“功能组织中的牺牲性书写”（SWIFT），用于在活细胞基质中图案化中空通道。在这种方法的基础上，我们引入了同轴SWIFT（co-SWIFT），它概括了天然血管中的多层结构，使其更容易形成相互连接的内皮，更坚固地承受血流的内部压力，”第一作者Paul Stankey说，他是SEAS的研究生，在共同资深作者和Wyss核心教员Jennifer Lewis的实验室里。

该团队开发的关键创新是一种独特的核壳喷嘴，具有两个独立可控的流体通道，用于组成印刷容器的“墨水”：胶原蛋白基壳墨水和明胶基芯墨水。喷嘴的内部核心室略微延伸到壳室之外，这样喷嘴就可以完全刺穿之前打印的血管，形成相互连接的分支网络，通过灌注为人体组织和器官提供足够的氧合。在印刷过程中，可以通过改变印刷速度或油墨流速来改变容器的尺寸。

为了确认新的co-SWIFT方法有效，该团队首先将多层血管打印到透明的颗粒状水凝胶基质中。接下来，他们将血管打印到最近创建的名为uPOROS的基质中，该基质由一种多孔胶原基材料组成，可以复制活肌肉组织的致密纤维结构。他们能够在这两种无细胞基质中成功打印出分支血管网络。打印这些仿生血管后，加热基质，使基质中的胶原蛋白和壳墨交联，牺牲明胶芯墨熔化，使其易于去除，形成开放、可灌注的脉管系统。

进入更具生物相关性的材料，研究小组使用注入平滑肌细胞（SMC）的壳墨重复了打印过程，平滑肌细胞构成了人类血管的外层。在熔化明胶核心墨水后，他们将形成人体血管内层的内皮细胞（EC）灌注到血管系统中。经过七天的灌注后，SMC和EC都存活下来，并作为血管壁发挥作用——与没有EC的血管相比，血管的通透性降低了三倍。

最后，他们准备在活体人体组织内测试他们的方法。他们构建了数十万个心脏器官构建块（OBB）——跳动的人类心脏细胞的微小球体，这些球体被压缩成致密的细胞基质。接下来，他们使用co-SWIFT将仿生血管网络打印到心脏组织中。最后，他们去除了牺牲性芯墨，并通过灌注在充满SMC的血管内表面植入EC，并评估了它们的性能。

这些打印的仿生血管不仅显示了人类血管特有的双层结构，而且在用血液模拟液灌注五天后，心脏OBB开始同步跳动，这表明心脏组织健康且功能正常。这些组织也对常见的心脏药物有反应——异丙肾上腺素使它们心跳加快，而布来司他丁阻止了它们的心跳。该团队甚至3D打印了一个真实患者左冠状动脉分支血管系统到OBB的模型，展示了其个性化医疗的潜力。

“我们能够根据真实患者的数据成功地3D打印左冠状动脉血管系统的模型，这证明了co-SWIFT在创建患者特异性、血管化人体器官方面的潜在效用，”Lewis说，他也是SEAS生物启发工程的Hansjörg-Wiss教授。

在未来的工作中，Lewis的团队计划生成毛细血管的自组装网络，并将其与3D打印的血管网络集成，以在微观尺度上更充分地复制人类血管的结构，并增强实验室培养组织的功能。

Wyss创始董事Donald Ingber博士说：“说在实验室中工程化功能性活体人体组织很困难是一种轻描淡写。我为这个团队在证明他们确实可以在活体、跳动的人体心脏组织中构建更好的血管方面所表现出的决心和创造力感到自豪。我期待他们在有朝一日将实验室培养的组织植入患者体内的探索中继续取得成功。”Ingber也是HMS和波士顿儿童医院的Judah Folkman血管生物学教授，也是SEAS的Hansjörg Wyss生物启发工程教授。

该论文的其他作者包括Katharina Kroll、Alexander Ainscogh、Daniel Reynolds、Alexander Elamine、Ben Fichtenkort和Sebastien Uzel。这项工作得到了Vannevar Bush教员奖学金计划的支持，该计划由负责研究和工程的国防部助理部长基础研究办公室通过海军研究资助办公室N00014-21-1-2958和国家科学基金会通过CELL-MET ERC（#EEC-1647837）赞助。