能與患者完全匹配的厚實的血管化組織，仍然是人造心臟難以逾越的鴻溝。

但以色列特拉維夫大學(xué) (Tel Aviv University) Tal Dvir 教授及其領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊正在接近這一目標(biāo)。他們在實驗室內(nèi)完成了人類首例 3D 打印心臟，它可完全與患者的免疫學(xué)、細(xì)胞、生物化學(xué)和解剖學(xué)特性匹配。更讓人吃驚的是，這顆僅有櫻桃大小的心臟，竟然是用脂肪組織逆轉(zhuǎn)為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，再通過 3D 打印而成的。這項研究發(fā)表在 Advanced Science 上。

那么 Tal Dvir 教授及其領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊究竟是如何做的呢？

圖丨首例人造心臟（來源：Lior Wertheim, Tal Dvir. 3D Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts）

心臟本身的構(gòu)成極其復(fù)雜，但大致可以分為兩大類：細(xì)胞成分和非細(xì)胞成分。細(xì)胞成分主要包括能夠跳動的心肌細(xì)胞和供應(yīng)營養(yǎng)的心臟血管內(nèi)皮細(xì)胞，而非細(xì)胞成分則包括膠原蛋白、彈性纖維等維持心肌細(xì)胞生長穩(wěn)態(tài)形成的組份。

3D 打印心臟的初衷是解決心臟移植供體短缺的困境，同時也是為了解決現(xiàn)有活體心臟移植后出現(xiàn)的免疫排斥反應(yīng)。因此，3D 打印心臟所需要的材料在進(jìn)入患者身體后也不能出現(xiàn)免疫排斥。

為了解決這兩個難倒千萬科學(xué)家的大難題，Tal Dvir 團隊想到使用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）來打造這一人造器官。

首先，研究團隊從患者體內(nèi)取出了網(wǎng)膜組織，簡而言之就是一些脂肪組織。然后將這些脂肪組織中的脂肪細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，它們具有全向分化能力。隨后，研究人員將這些 iPSC 重編程為 3D 打印所需要的心肌細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞。

脂肪組織中的其他非細(xì)胞成分則被一一分離出來，作為 3D 打印心臟所需的非細(xì)胞組份。

這樣 3D 打印心臟所需的兩種關(guān)鍵“墨水”就集齊了。

我們知道心臟本身的供血是由冠脈血管來完成的，研究者首先利用高分辨率 CT 對患者的心臟進(jìn)行了 360 度無死角掃描，通過計算機輔助三維重建了患者心臟冠脈系統(tǒng)中的大血管。

但一些 CT 掃描無法探測到的小血管該怎么辦呢？Tal Dvir 教授想到可以計算每個區(qū)域單位體積心肌細(xì)胞所需的氧氣量，“心肌需要多少，我給它多少唄”。通過計算機輔助計算，研究者設(shè)計了可以供給“每一寸”心肌細(xì)胞的營養(yǎng)的冠脈血管。

圖丨人造心臟冠脈系統(tǒng)的構(gòu)建過程

最后，研究人員將兩種細(xì)胞組份與非細(xì)胞組份一同進(jìn)行了 3D 打印。這顆 3D 打印的心臟雖然僅有櫻桃大小，也就相當(dāng)于兔子的心臟，但其擁有完整的左右心室、左右心房、室間隔和房間隔，同時具有供應(yīng)這些心肌細(xì)胞生長的脈管系統(tǒng)。

當(dāng)仔細(xì)觀察這一人造心臟時，研究人員甚至能夠看到心肌細(xì)胞的跳動，但由于缺少竇房結(jié)等心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)，這些心肌細(xì)胞并不能統(tǒng)一地進(jìn)行收縮和舒張，也就是說這一心臟還不具備泵血功能。

但這一心臟的出現(xiàn)，可以堪稱是組織工程學(xué)上的“奇跡”，其為未來 3D 打印人體器官及藥物模型的構(gòu)建提供了十分可靠的參考價值。