《Science》：斯坦福大學(xué)為3D打印心臟設(shè)計(jì)器官尺度的血管網(wǎng)絡(luò)模型

2025年6月14日，南極熊獲悉，來(lái)自斯坦福大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種更快、更精確的血管系統(tǒng)建模和打印方法，解決了利用患者自身細(xì)胞制造可移植器官的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

他們的方法以題為“Rapid model-guided design oforgan-scale synthetic vasculature for biomanufacturing”的論文發(fā)表在頂級(jí)雜志《科學(xué)》上。新的設(shè)計(jì)平臺(tái)能夠以比以往更快的速度生成與我們?cè)谌梭w中實(shí)際看到的相似的設(shè)計(jì)，并能夠?qū)⑦@些設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為3D打印機(jī)的指令。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj6152

據(jù)斯坦福大學(xué)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)有超過(guò)10萬(wàn)人在器官移植名單上，其中一些人需要等待數(shù)年才能獲得器官，而另一些人甚至可能撐不過(guò)等待。即使器官匹配良好，人體也有可能產(chǎn)生排斥反應(yīng)。為了縮短等待時(shí)間并降低排斥反應(yīng)的可能性，再生醫(yī)學(xué)研究人員正在開發(fā)利用患者自身細(xì)胞按需制造個(gè)性化心臟、腎臟、肝臟和其他器官的方法。

確保氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能夠到達(dá)新生器官的每個(gè)部分是一項(xiàng)持續(xù)的挑戰(zhàn)。斯坦福大學(xué)的研究人員開發(fā)出新的工具，用于設(shè)計(jì)和3D打印極其復(fù)雜的血管樹，這些血管樹負(fù)責(zé)將血液輸送到整個(gè)器官。

斯坦福大學(xué)工程與醫(yī)學(xué)院道格拉斯·M·和諾拉·萊什曼心血管疾病教授、兒科和生物工程教授、論文共同通訊作者艾莉森·馬斯登說(shuō)道：“目前，生物打印組織的規(guī)�；�能力受限于能否為其生成血管——如果不提供血液供應(yīng)，就無(wú)法擴(kuò)大這些組織的規(guī)模。我們能夠使生成血管的算法運(yùn)行速度比以往方法快約 200 倍，并且可以生成器官等復(fù)雜形狀的血管。”

器官尺度的脈管系統(tǒng)

當(dāng)血液被泵送到體內(nèi)某個(gè)器官時(shí)，它會(huì)從大動(dòng)脈流向越來(lái)越細(xì)的分支血管，在那里與周圍組織交換氣體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。在大多數(shù)組織中，細(xì)胞需要在一根頭發(fā)絲的寬度內(nèi)才能生存，但在心臟等代謝需求旺盛的組織中，這個(gè)距離甚至更小——一個(gè)毫米大小的立方體中可能有超過(guò) 2500 條毛細(xì)血管。所有這些微小的血管最終都會(huì)重新匯合，然后離開器官。

這些血管網(wǎng)絡(luò)并非標(biāo)準(zhǔn)化；器官形狀各異，即使是兩顆大小相似的心臟之間也存在很大差異。到目前為止，構(gòu)建一個(gè)適合獨(dú)特復(fù)雜器官的真實(shí)血管網(wǎng)絡(luò)模型一直非常困難，而且極其耗時(shí)。許多研究人員轉(zhuǎn)而依賴標(biāo)準(zhǔn)化的晶格，這些晶格在小型工程組織模型中效果良好，但規(guī)�；�程度不高。

馬斯登和她的同事們構(gòu)建了一種算法，可以創(chuàng)建與原生器官血管結(jié)構(gòu)高度相似的血管樹，并通過(guò)他們的SimVascular開源項(xiàng)目將該軟件開放給所有人使用。他們結(jié)合了流體動(dòng)力學(xué)模擬，以確保血管系統(tǒng)能夠均勻分布血液，并成功縮短了生成網(wǎng)絡(luò)所需的時(shí)間，同時(shí)避免了血管之間的碰撞，并創(chuàng)建了一個(gè)只有單一入口和出口的閉環(huán)。

馬斯登實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者、論文共同第一作者扎卡里·塞克斯頓說(shuō)道：“我們花了大約五個(gè)小時(shí)才生成一個(gè)用于構(gòu)建人體心臟血管的樹狀計(jì)算機(jī)模型。我們能夠達(dá)到這樣的密度：模型中任何一個(gè)細(xì)胞距離最近的血管大約只有100到150微米，這相當(dāng)不錯(cuò)。該設(shè)計(jì)包含一百萬(wàn)條血管。這項(xiàng)任務(wù)以前從未有人做過(guò)，用以前的算法可能需要幾個(gè)月的時(shí)間�！�

雖然3D打印機(jī)尚無(wú)法打印如此精細(xì)密集的網(wǎng)絡(luò)，但研究人員已經(jīng)能夠設(shè)計(jì)并打印一個(gè)包含500個(gè)分支的血管模型。他們還測(cè)試了一個(gè)更簡(jiǎn)單的版本，以確保其能夠維持細(xì)胞存活。研究人員使用3D生物打印機(jī)，制作了一個(gè)裝滿人類胚胎腎細(xì)胞的厚環(huán)，并構(gòu)建了一個(gè)由25條血管貫穿其中的網(wǎng)絡(luò)。他們將一種充滿氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的液體泵入該網(wǎng)絡(luò)，成功地使靠近血管網(wǎng)絡(luò)的大量細(xì)胞存活。

生物工程助理教授、論文共同通訊作者馬克·斯凱拉-斯科特（Mark Skylar-Scott）說(shuō)道：“我們證明了這些血管可以被設(shè)計(jì)、打印，并能夠維持細(xì)胞的活性。我們知道還需要進(jìn)一步研究來(lái)加快打印速度，但現(xiàn)在我們已經(jīng)擁有了這條流程，可以非常高效地生成不同的血管樹，并創(chuàng)建一套打印它們的指令�！�

生物打印心臟

研究人員很快注意到，這些血管網(wǎng)絡(luò)還不是功能性血管——它們是通過(guò) 3D 矩陣打印的通道，但它們沒有肌肉細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞或任何其他需要自行運(yùn)作的細(xì)胞。

Skylar-Scott 實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者、論文共同第一作者 Dominic Rütsche 說(shuō)道：“這是朝著生成真正復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)邁出的第一步。我們可以打印出前所未有的復(fù)雜程度的血管，但它們還不是完全的生理性血管。我們正在努力實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。”

將這些設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為功能性血管，只是斯凱拉-斯科特及其同事正在開展的生物打印功能性人類心臟的眾多工作之一。他們還在探索如何促進(jìn)最微小的血管（那些太小或間距太近而無(wú)法打印的血管）自行生長(zhǎng)，改進(jìn)3D生物打印機(jī)的性能，使其速度更快、精度更高，并培養(yǎng)打印完整心臟所需的大量細(xì)胞。

斯凱拉-斯科特說(shuō)道：“這是整個(gè)過(guò)程中至關(guān)重要的一步。我們已經(jīng)成功地利用人類干細(xì)胞生成了足夠多的心臟細(xì)胞，足以打印出完整的人類心臟�，F(xiàn)在，我們可以設(shè)計(jì)出一個(gè)良好、復(fù)雜的血管樹，來(lái)維持這些細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)和生命。我們現(xiàn)在正積極地將細(xì)胞和血管系統(tǒng)以器官的規(guī)模結(jié)合起來(lái)�！�