《Science》：斯坦福大學為3D打印心臟設計器官尺度的血管網(wǎng)絡模型

2025年6月14日，南極熊獲悉，來自斯坦福大學的研究人員開發(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胞制造可移植器官的關鍵挑戰(zhàn)。

他們的方法以題為“Rapid model-guided design oforgan-scale synthetic vasculature for biomanufacturing”的論文發(fā)表在頂級雜志《科學》上。新的設計平臺能夠以比以往更快的速度生成與我們在人體中實際看到的相似的設計，并能夠?qū)⑦@些設計轉(zhuǎn)化為3D打印機的指令。

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

據(jù)斯坦福大學統(tǒng)計，美國有超過10萬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等待。即使器官匹配良好，人體也有可能產(chǎn)生排斥反應。為了縮短等待時間并降低排斥反應的可能性，再生醫(yī)學研究人員正在開發(fā)利用患者自身細胞按需制造個性化心臟、腎臟、肝臟和其他器官的方法。

確保氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)能夠到達新生器官的每個部分是一項持續(xù)的挑戰(zhàn)。斯坦福大學的研究人員開發(fā)出新的工具，用于設計和3D打印極其復雜的血管樹，這些血管樹負責將血液輸送到整個器官。

斯坦福大學工程與醫(yī)學院道格拉斯·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·馬斯登說道：“目前，生物打印組織的規(guī)?；芰κ芟抻谀芊駷槠渖裳堋绻惶峁┭汗?，就無法擴大這些組織的規(guī)模。我們能夠使生成血管的算法運行速度比以往方法快約 200 倍，并且可以生成器官等復雜形狀的血管。”

器官尺度的脈管系統(tǒng)

當血液被泵送到體內(nèi)某個器官時，它會從大動脈流向越來越細的分支血管，在那里與周圍組織交換氣體和營養(yǎng)物質(zhì)。在大多數(shù)組織中，細胞需要在一根頭發(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，這個距離甚至更小——一個毫米大小的立方體中可能有超過 2500 條毛細血管。所有這些微小的血管最終都會重新匯合，然后離開器官。

這些血管網(wǎng)絡并非標準化；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)建一個適合獨特復雜器官的真實血管網(wǎng)絡模型一直非常困難，而且極其耗時。許多研究人員轉(zhuǎn)而依賴標準化的晶格，這些晶格在小型工程組織模型中效果良好，但規(guī)?；潭炔桓?。

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，并通過他們的SimVascular開源項目將該軟件開放給所有人使用。他們結(jié)合了流體動力學模擬，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)絡所需的時間，同時避免了血管之間的碰撞，并創(chuàng)建了一個只有單一入口和出口的閉環(huán)。

馬斯登實驗室的博士后學者、論文共同第一作者扎卡里·塞克斯頓說道：“我們花了大約五個小時才生成一個用于構(gòu)建人體心臟血管的樹狀計算機模型。我們能夠達到這樣的密度：模型中任何一個細胞距離最近的血管大約只有100到150微米，這相當不錯。該設計包含一百萬條血管。這項任務以前從未有人做過，用以前的算法可能需要幾個月的時間。”

雖然3D打印機尚無法打印如此精細密集的網(wǎng)絡，但研究人員已經(jīng)能夠設計并打印一個包含500個分支的血管模型。他們還測試了一個更簡單的版本，以確保其能夠維持細胞存活。研究人員使用3D生物打印機，制作了一個裝滿人類胚胎腎細胞的厚環(huán)，并構(gòu)建了一個由25條血管貫穿其中的網(wǎng)絡。他們將一種充滿氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的液體泵入該網(wǎng)絡，成功地使靠近血管網(wǎng)絡的大量細胞存活。

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）說道：“我們證明了這些血管可以被設計、打印，并能夠維持細胞的活性。我們知道還需要進一步研究來加快打印速度，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?！?/div>

生物打印心臟

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

Skylar-Scott 實驗室的博士后學者、論文共同第一作者 Dominic Rütsche 說道：“這是朝著生成真正復雜的血管網(wǎng)絡邁出的第一步。我們可以打印出前所未有的復雜程度的血管，但它們還不是完全的生理性血管。我們正在努力實現(xiàn)這一點。”

將這些設計轉(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最微小的血管（那些太小或間距太近而無法打印的血管）自行生長，改進3D生物打印機的性能，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胞。

斯凱拉-斯科特說道：“這是整個過程中至關重要的一步。我們已經(jīng)成功地利用人類干細胞生成了足夠多的心臟細胞，足以打印出完整的人類心臟?，F(xiàn)在，我們可以設計出一個良好、復雜的血管樹，來維持這些細胞的營養(yǎng)和生命。我們現(xiàn)在正積極地將細胞和血管系統(tǒng)以器官的規(guī)模結(jié)合起來。”