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ARPA-H向斯坦福大学投资2600 万美元以制造心脏组织,器官3D 打印技术将迎来大爆发

频道:3D打印新闻 日期: 浏览:
       2023年10月2日,美国高级健康研究计划局 (ARPA-H) 计划向斯坦福大学投入2630万美元,以资助研究人员在五年内开发出可功能化应用的生物打印人类心脏,并将其植入活猪体内。



     斯坦福大学心血管研究所成员、项目首席研究员、生物工程助理教授马克·斯凯拉-斯科特(Mark Skylar-Scott)说:“该项目的难度堪比登月计划,用于生物打印完整而复杂的人体器官的原材料现在已经到位,可以推动这一项目快速发展。”

      多年来,定制针对患者的人体器官(肝脏、肺、肾脏、大脑,还有人类心脏)一直是现代医学的一个愿景。但随着最近干细胞科学(细胞培育和3D生物打印技术)的发展,才使得定制器官的梦想变得触手可及。

     斯凯拉-斯科特说:“有了血管生成系统,就有能力制造大而厚的组织,可以植入生物体内并存活,生物制造器官的时代就这样开始了。”


生物打印技术的飞跃


生物打印技术和材料在过去十年中取得了巨大发展,因为 3D 打印总体上已经在先进制造的所有领域取得了进展。然而,还有很多工作要做,从足够的血管分布到细胞活力,再到需要同时从各个侧面进行打印(体积打印),而不仅仅是局限在平面层上打印。世界各地(甚至太空实验室)的研究团队都在聚焦解决这些问题,ARPA-H 和斯坦福大学认为这一重大注资将加速生物打印器官行业的发展。


在细胞培育技术进步的推动下,更先进的生物打印技术与细胞规模化生产技术相结合,从旧的培养皿到今天能够一次生产数十亿个心脏特异性细胞的反应器。这些将成为生物打印机的“墨水”。斯凯拉-斯科特说:“我们将使用自动化生物反应器库来生产不同类型的心脏细胞。”


这组生物反应器将产生数十亿个心室和心房心肌细胞、形成浦肯野纤维的专门传导细胞、心脏起搏细胞的结细胞、以及支持组织发育的平滑肌细胞、巨噬细胞,以及当然,血管内皮细胞需要维持组织的活力。斯凯拉-斯科特估计,该团队每两周就能为心脏产生足够的细胞。


斯凯拉-斯科特说:“我们将利用这些大量的细胞来研究心脏的所有设计规则,并在整个心脏范围内优化细胞组织活力和功能,最终植入猪体内。生物打印的人类心脏将被移植到患有严重先天性免疫缺陷的猪体内,以防止排斥反应。然而,该团队的方法使用患者特异性干细胞,当移植到同一患者体内时,可能不需要免疫抑制。你自己的心,由你自己的细胞组成,这就是生物打印技术的魅力。”


ARPA-H 和斯坦福大学合作项目促使人们憧憬有一天,类似的生物制造工厂能够制造出新的心脏、肺、肝脏和其他器官,用于植入患者体内——每个生物打印的器官都与其患者的基因完美匹配。斯凯拉-斯科特表示,这样的愿望是可以预料到的,但他补充说,他相信这一天即使不是更久,也还需要几十年的时间。尽管如此,这项生物打印计划仍将作为加速器官工程商业化和转化的必要而有力的概念验证。



专业知识生态系统


对这种可能性的讨论让斯凯拉-斯科特重新面对未来的挑战。生物打印心脏并将其植入生物体内相对容易,困难的部分是确保生物打印器官植入后该生物继续存活。实现这一目标需要大量的专业知识,远远超出任何一位研究人员的技能。在这方面,斯凯拉-斯科特重返斯坦福大学研究生态系统,这使得该项目成为可能。


虽然斯科特是该项目的首席研究员,但由 ARPA-H 资助的 RPA-H 斯坦福大学专家组成的完整团队将梦想变为现实,其深度和广度都令人惊叹。它包括工程学、生物化学、计算机建模、心脏病学、心胸外科、生物学、材料科学等领域的专家。只有斯坦福大学将领导力集中在所有这些相互独立但又相互关联的领域,这些领域彼此相距不远。



Skylar-Scott 表示,斯坦福大学是心血管医学领域真正的卓越中心,心血管研究所、干细胞衍生专业知识和血管专家提供原材料,并结合 3D 生物打印和材料教师的良好生态系统,思考如何使用和使用组装材料。最后,他总结道:“当你将所有这些资源集中在一个地方时,就可以更轻松地进行协作并完成一些令人惊奇的事情。”


斯坦福大学研究团队


  • Mark Skylar-Scott,生物工程,首席研究员

  • 约瑟夫·德西蒙,化学工程

  • 丹尼尔·恩尼斯,放射学

  • 莎拉·海尔肖恩,材料科学与工程

  • 艾伦·库尔,机械工程

  • 凯尔·洛(Kyle Loh),发育生物学

  • 马先生, 心胸外科

  • 艾莉森·马斯登,心脏病学

  • 艾莉森冈村,机械工程

  • 马琳·拉宾诺维奇,心脏病学

  • 麦克·施瓦格,航空工程

  • 吴钊燊, 心胸外科

  • 吴钊燮, 心脏病学

  • 吴肖恩, 心脏病学


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