3D 生物打印技術(shù)在心臟組織工程中的研究進(jìn)展

王占磊，金 健

心血管疾?。╟ardiovascular disease，CVD）是指影響心肌、 心臟瓣膜或體內(nèi)血管受損的一種病理進(jìn)程，在CVD 終末期， 通常需要進(jìn)行器官置換以改善患者預(yù)后[1，2]。目前，用于CVD 治療的置換器官通常來源于患者自身、捐贈(zèng)者、動(dòng)物、合成移植器官等。 但是以上置換器官均存在局限性， 如缺乏現(xiàn)成的供體器官、抗凝治療、免疫排斥、持久性有限等[3]。 因此臨床上迫切需要通過其他途徑來治療CVD。 目前，心臟組織工程（cardiac tissue engineering，CTE）通過生物材料將干細(xì)胞分化成成熟的功能組織，以支持組織的正常生長和發(fā)育，從而修復(fù)受損的血管、心臟瓣膜和心肌[4]。同時(shí)，CTE 的另一個(gè)優(yōu)勢是能夠降低移植物的免疫排斥反應(yīng)、抑制血栓形成[4]。

在CTE 快速發(fā)展的形勢下，3D 打印技術(shù)（threedimensional bioprinting technology）應(yīng)運(yùn)而生，它能夠按照一定的空間順序精確地將生物材料和活性細(xì)胞逐層沉積疊加到具有復(fù)雜3D 結(jié)構(gòu)的打印支架中，從而產(chǎn)生高度連續(xù)穩(wěn)定的生物工作模式，高度模擬心臟工作狀態(tài)，為心肌組織修復(fù)與再生提供保障[5]。 目前，基于3D 生物打印技術(shù)的心臟再生技術(shù)仍處于早期探索階段，需要更多領(lǐng)域完善合作，進(jìn)一步精確地表達(dá)心肌結(jié)構(gòu)和生理病理特點(diǎn)。 文章將對3D 生物打印技術(shù)在CTE 中的研究進(jìn)展進(jìn)行探討。

1 心臟解剖學(xué)及心肌病

對于哺乳動(dòng)物， 心臟是體循環(huán)和肺循環(huán)的交叉點(diǎn)，靠近心尖的部分被室間隔分成左右心室，上面部分被房間隔分成左右心房。心臟的肌纖維群尤其是沿心室壁縱向、橫向和斜向運(yùn)動(dòng)的心肌組織，在心肌的收縮期和舒張期完成射血和充盈具有重要作用[6]。 心肌微結(jié)構(gòu)為心肌外層組織是一層纖維心包，其主要功能是定位整個(gè)心臟的解剖位置；往內(nèi)是心包腔，是由漿膜性心包的臟層與壁層相互移行所形成的密閉裂隙，可容納心包液用于潤滑或者減輕心臟收縮時(shí)產(chǎn)生的摩擦力；靠近心外膜層的是心肌層，即心臟的核心功能單元，含有條紋心肌細(xì)胞和豐富的血管；心臟的最內(nèi)層為心內(nèi)膜，可影響心肌的內(nèi)部收縮力。 含有膠原蛋白的細(xì)胞外基質(zhì)分布在上述各層間隙中，從而組成完整的心臟[7]。

眾多因素可引起心臟結(jié)構(gòu)和/或功能病理的改變，如冠狀動(dòng)脈缺血性心臟病、嚴(yán)重的先天性心臟病、某些細(xì)菌或病毒感染引起的心臟功能障礙等[8]。 臨床上，心臟移植是終末期CVD 治療的首選，但因供體的稀缺性和不可避免的免疫排斥反應(yīng)，往往難以保證心臟移植患者的長期生存率[9]。 因此迫切需要深入探索CTE 在臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，如利用3D 生物打印技術(shù)形成可工作的心肌，延長終末期CVD 患者的生命。

2 3D 打印技術(shù)在心血管疾病中的臨床應(yīng)用

關(guān)于CVD， 特別是在先天性心臟病領(lǐng)域，3D 生物打印技術(shù)可用于醫(yī)學(xué)生教育、改善醫(yī)患溝通、輔助心臟病醫(yī)生或心臟外科醫(yī)生處理復(fù)雜心臟疾病，以及用于開發(fā)治療心臟瓣膜疾病的醫(yī)療設(shè)備等用途。

使用3D 生物打印技術(shù)可以對冠心病（coronary artery heart disease，CAD） 患者進(jìn)行術(shù)前精確規(guī)劃。Lau IWW 等[10]報(bào)道了3D 生物打印技術(shù)在CAD 治療術(shù)前規(guī)劃中的作用，其可以輔助外科醫(yī)生確定最佳的手術(shù)方案，協(xié)助手術(shù)流程順利進(jìn)行，特別是用于處理復(fù)雜的CAD 病例。Xu J 等[11]研究報(bào)道，借助針對患者病情特定的3D 生物打印模型，可以制訂個(gè)性化的治療策略和最佳的手術(shù)方案。 Tuncay V 等[12]報(bào)道3D 生物打印模型在心臟瓣膜病的治療和左心耳封堵術(shù)方面發(fā)揮了重要作用， 可用于心臟瓣膜疾病的術(shù)前規(guī)劃﹑手術(shù)培訓(xùn)和器械測試與開發(fā)。 Wang C 等[13]分析了多項(xiàng)關(guān)于3D 生物打印模型在成年人CAD 手術(shù)或?qū)Ч芙槿胫委熤械膽?yīng)用，研究表明3D 生物打印技術(shù)在成年人CAD 中的臨床應(yīng)用較多， 主要用于心血管手術(shù)的輔助治療。

此外，3D 生物打印技術(shù)還可用于經(jīng)導(dǎo)管主動(dòng)脈瓣置換術(shù) （transcatheter aortic valve replacement，TAVR）的術(shù)前規(guī)劃和模擬。 Thorburn C 等[14]評估3D生物打印模型在心臟瓣周漏（paravalvular or perivalvular leakage，PVL） 治療中的潛在價(jià)值，TAVR 植入后，將打印好的模型連接到一個(gè)封閉的壓力系統(tǒng)進(jìn)行評估。 最后，將3D 打印模型測量的PVL 與TAVR 患者的超聲心動(dòng)圖檢測的PVL 進(jìn)行比較， 結(jié)果顯示兩者之間存在顯著相關(guān)性，說明利用3D 生物打印模型預(yù)測TAVR 患者的PVL 具有潛在價(jià)值。 Haghiashtiani G等[15]進(jìn)一步將3D 打印的主動(dòng)脈模型進(jìn)行優(yōu)化，通過CT 圖像創(chuàng)建兩個(gè)患者特異性的主動(dòng)脈根部模型，每個(gè)模型都包括主動(dòng)脈壁、心肌、主動(dòng)脈瓣葉和鈣化區(qū)，使用4 種生物墨水打印代表不同的解剖結(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)計(jì)生物瓣膜假體模擬TAVR 治療。結(jié)果顯示，3D 生物打印模型能在不同心臟術(shù)后期準(zhǔn)確預(yù)測患者解剖學(xué)和身體行為；而且，血流動(dòng)力學(xué)分析表明帶有內(nèi)部傳感器的3D 打印模型在預(yù)測傳導(dǎo)干擾方面具有潛在價(jià)值，可以降低TAVR 手術(shù)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，從而有助于開發(fā)新型醫(yī)療設(shè)備。

此外，3D 打印技術(shù)還可用于冠狀動(dòng)脈異常的治療，3D 冠狀動(dòng)脈模型在模擬冠狀動(dòng)脈介入手術(shù)、 指導(dǎo)復(fù)雜冠狀動(dòng)脈疾病的治療方面具有重要意義；3D 冠狀動(dòng)脈模型的另一個(gè)應(yīng)用是提高對冠狀動(dòng)脈異常的認(rèn)識。Lee M 等[16]研究顯示3D 冠狀動(dòng)脈打印模型可以增強(qiáng)對冠狀動(dòng)脈解剖和病理的了解， 比單純CT 圖像更有用。此外，研究表明，3D 冠狀動(dòng)脈模型在其他領(lǐng)域也有應(yīng)用，比如向患者解釋病情、改善醫(yī)患溝通；通過向臨床醫(yī)生展示診斷解剖學(xué)，為心臟外科醫(yī)生制定術(shù)前計(jì)劃等。3D 冠狀動(dòng)脈模型還可用于制定冠狀動(dòng)脈支架置入術(shù)中的鈣化斑塊和冠狀動(dòng)脈腔的最佳CT 掃描方案。研究[17，18]表明，通過構(gòu)建3D 冠狀動(dòng)脈模型，將6 種不同直徑的支架放置在冠狀動(dòng)脈內(nèi)模擬冠狀動(dòng)脈支架植入術(shù)，CT 掃描結(jié)果顯示此方法能顯著提高支架和支架管腔的可視性，可以清晰地看到支架位置與冠狀動(dòng)脈解剖的關(guān)系。3D 冠狀動(dòng)脈模型也可以模擬冠狀動(dòng)脈的血流， 反映CAD 發(fā)展過程中血流動(dòng)力學(xué)的變化。 Sommer KN 等[19]通過制作3D 冠狀動(dòng)脈模型模擬冠狀動(dòng)脈遠(yuǎn)端阻力和順應(yīng)性，在流速為80 ～160 mL/min 時(shí)，成功測量了3 個(gè)主要冠狀動(dòng)脈（包括右冠狀動(dòng)脈、左前降支和左旋支）的壓力，結(jié)果顯示以上主要冠狀動(dòng)脈的腔阻力可以忽略不計(jì)。 此研究開發(fā)了一種創(chuàng)新的利用3D 打印模型模擬真實(shí)的冠狀動(dòng)脈生理血流的方法，從而可以進(jìn)一步全面分析和模擬冠狀動(dòng)脈血流變化。

3 3D 生物打印模型結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

病變或受損心臟組織進(jìn)行3D 生物打印之前，首先要?jiǎng)?chuàng)建患者特定的3D 模型。 目前常用的3D 模型成像技術(shù)包括心臟計(jì)算機(jī)斷層掃描（electrocardiography-gated computer tomography, CT）、3D 超聲心動(dòng)圖和心臟磁共振成像 （cardiac magnetic resonance，CMR）。 因CT 和3D 超聲心動(dòng)圖的局限性，CMR 圖像廣泛用于3D 打印模型[20]。

將CT、CMR 或3D 超聲心動(dòng)圖成像數(shù)據(jù)收集到的信息轉(zhuǎn)換成患者特定的3D 心血管組織數(shù)字模型，這一過程稱為“圖像分割”。 早期的圖像分割僅基于CT 圖像采集的數(shù)據(jù)， 但近期研究表明也可以利用CMR 圖像采集的數(shù)據(jù)復(fù)制先天性心臟病和全身血管疾病[21]。 Farooqi KM 等[22]通過將3D 超聲心動(dòng)圖和超聲心動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使二尖瓣瓣葉和瓣環(huán)重建具有可行性。 首先，將獲得的CT/CMR 的圖像數(shù)據(jù)集導(dǎo)出為醫(yī)學(xué)數(shù)字成像與通信（digital imaging and communication in medicine,DICOM）格式，基于像素閾值強(qiáng)度對目標(biāo)的幾何解剖進(jìn)行識別和分割；下一步“堆疊”單個(gè)心臟組織的2D 圖像，以便將同一強(qiáng)度范圍內(nèi)的像素分組，并用單一材料進(jìn)行打印；最后，轉(zhuǎn)換成患者特定的3D 數(shù)字心臟模型， 并保存為標(biāo)準(zhǔn)鑲嵌式語言（.stl）文件，以便進(jìn)行修改和調(diào)整，最后導(dǎo)出用于3D生物打印[21]。

4 心臟組織工程生物墨

因水凝膠具有生物相容性、生物可降解性，并可為發(fā)育中的組織提供機(jī)械支持， 因此在CTE 中常使用水凝膠模擬原組織中的3D 細(xì)胞外基質(zhì)；而且交聯(lián)水凝膠具有高度的多孔性， 允許細(xì)胞遷移和支架填充， 并允許營養(yǎng)物質(zhì)輸送到細(xì)胞以滿足其代謝需求。此外，由于大多數(shù)水凝膠表現(xiàn)出黏彈性，是生物打印過程中生物墨水的理想選擇。常用的天然高分子水凝膠包括膠原、明膠、透明質(zhì)膠、殼聚糖、透明質(zhì)酸、纖維蛋白、海藻酸、纖維素等。心臟組織的生物打印主要利用以下生物材料作為生物墨水。

4.1 海藻酸鹽

海藻酸鹽是海藻酸的鹽類，是由（1→4）-β-交聯(lián)的D-甘露糖醛酸和（1→4）-α-交聯(lián)的古洛糖醛酸組成的長鏈聚合物， 其含量和分布因聚合物的長度不同；因其生物特性，海藻酸鹽不能與細(xì)胞黏附。 因此，將海藻酸鹽作為生物墨水時(shí)，必須在其上面覆蓋支持心臟組織發(fā)育的細(xì)胞黏附部分，如肝素結(jié)合肽（heparin-binding peptide，HBP）或基質(zhì)凝膠。 與未修飾的海藻酸鹽支架相比，海藻酸鹽支架上固定精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（arginine-glycine-asparttate，RGD）多肽后可以促進(jìn)心肌組織的生成[23]。 海藻酸鹽作為生物墨水能夠?yàn)樾募〖?xì)胞的生長提供環(huán)境；還可以通過調(diào)節(jié)聚合物的交聯(lián)程度調(diào)節(jié)材料的機(jī)械性能。Zisch AH等[24]利用細(xì)胞負(fù)載的改性海藻酸鹽作為生物墨水進(jìn)行生物打印以制造人類胎兒心肌細(xì)胞構(gòu)建物，研究結(jié)果表明， 細(xì)胞與海藻酸鹽支架具有良好的黏附性，并能模擬天然的心臟細(xì)胞外基質(zhì)。

4.2 明膠

明膠是將豬、魚等動(dòng)物的皮膚、骨骼和結(jié)締組織中提取的膠原蛋白部分水解得到的一種水溶性蛋白質(zhì)。因明膠具有生物降解性、生物相容性、有限的免疫原性及低成本的特點(diǎn)，在心血管組織工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[25]。Anilkumar S 等[26]開發(fā)了一種新型可見光交聯(lián)明膠-透明質(zhì)酸水凝膠用于生物打印技術(shù)，植入小鼠間充質(zhì)干細(xì)胞、小鼠成肌細(xì)胞或小鼠胚胎成纖維細(xì)胞， 可使細(xì)胞在培養(yǎng)5 d 后仍保持活力和功能，此研究結(jié)果表明明膠可能用于制造心臟組織。

4.3 纖維蛋白

纖維蛋白是一種天然的生物可降解聚合物，可從患者自身血漿中提取， 因此可以構(gòu)建完全的自體支架，不存在發(fā)生免疫原性反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。 纖維蛋白支架在構(gòu)建心臟瓣膜、心肌、主動(dòng)脈導(dǎo)管和血管等心血管結(jié)構(gòu)方面具有重要優(yōu)勢[27]。 據(jù)報(bào)道，在成年大鼠股動(dòng)脈和股靜脈周圍植入攜帶纖維蛋白凝膠懸浮液和大鼠心肌細(xì)胞的硅膠管3 周后，管內(nèi)組織與正常心肌組織相似[28]，此研究結(jié)果表明纖維蛋白在用于打印心臟組織方面具有重要意義。

4.4 膠原蛋白

膠原蛋白凝膠可作為打印心臟組織的生物墨水，如心肌細(xì)胞在膠原蛋白內(nèi)黏附和增殖良好，可以種植內(nèi)部支架結(jié)構(gòu)[29]。Lee VK 等[30]將膠原蛋白作為生物墨水用于連接兩個(gè)血管通道的毛細(xì)血管，為3D 生物打印的心臟組織提供毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)，使氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)能夠到達(dá)支架包圍的細(xì)胞。 因此，膠原蛋白可廣泛用于心臟組織的3D 生物打印技術(shù)。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，作為一種快速發(fā)展的生物技術(shù)，3D 打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)不同領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。 3D 打印模型的應(yīng)用為多種CAD 患者提供更多治療方案，增強(qiáng)了臨床醫(yī)生對復(fù)雜疾病的理解和對復(fù)雜手術(shù)的信心。 隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展和打印材料的改進(jìn)，在不久的將來，3D 打印技術(shù)在CTE 中應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，有利于患者的護(hù)理和臨床實(shí)踐。