斯坦福大学斥资2630万美元，将生物3D打印心脏植入猪体内

近日，美国斯坦福大学在一份价值2630万美元的联邦合同推动下，计划通过生物打印的方式生成一颗人类心脏并将其植入猪体内。此前，该校研究人员已经尝试使用生物打印技术将软性生物相容性材料与活细胞精心图案合成为预定结构，为制造心脏组织做好准备。

然而，研究团队负责人、生物工程学助理教授Mark Skylar-Scott表述，他们必须对这一过程进行至少上千次的改进，以了解如何保持生物组织的活力，并且还需要一种能够处理数万亿细胞的方式。他还指出，为了支持这一巨大的努力，他们正在研究新的3D打印硬件以制造更大、更快、分辨率更高的人体组织。

“这将是一代人的巨大挑战，所以我们最好开始行动，”Skylar-Scott解释说，“我们的目标是以治疗规模制造人体组织，在培养皿上的细胞和活体病人器官之间架起一座桥梁。”

2022年，Skylar-Scott所在实验室通过3D生物打印机打印出一份心脏组织样本

人造心脏的蓝图

对于Skylar-Scott来说，专注于开发新的3D打印技术只是冰山一角。他认为，研究人员需要数十年的努力才能制造出功能性3D打印器官，并推动干细胞和发育生物学的发展。这显然是一项艰巨的任务，主要是因为人类心脏包含来自20多种细胞类型的100多亿个细胞，所有细胞都以三维模式精确排列，形成一个具有功能性、时刻跳动着的器官。这项任务的挑战规模之大意味着最终的完美实现必须通过重复改进才能实现。

此外，心脏的腔室、瓣膜和血管错综复杂也是一项独特挑战。在Skylar-Scott的带领下，研究人员旨在征服这种复杂性。他们的方法包括使用自动生物反应器产成大量心脏细胞。从有节奏地跳动、产生心跳的细胞，到形成血管、确保心脏获得氧气和营养供应的细胞，他们都在生产。

在改进技术和学习心脏设计的细微差别后，该团队计划制造出一个能正常工作的心脏，并将其移植到猪身上。猪在解剖学和生理学方面与人类相似，因此一直被认为是各种医学研究领域的合适模型。这些领域包括心血管研究、移植研究等。例如，猪心脏的大小和功能与人类十分相似，因此在心血管研究中特别有价值。此外，猪的基因与人类高度相似，这进一步证明了猪在此类研究中的用途。

虽然在临床前阶段的医学研究中使用猪作为试验对象很常见，但围绕这些做法的更大背景值得注意。科学界越来越乐观地认为，生物打印等创新技术最终会减少对动物模型的依赖。必须指出的是，通过先进技术减少动物实验的潜力与当今对动物模型的依赖之间的对立，多年来一直是科学界讨论的话题。

哈佛大学维斯生物启发工程研究所等机构走在了动物实验替代品的前沿，如芯片器官技术。尽管生物打印技术仍处于起步阶段，但这种方式为传统的动物试验提供了潜在替代方案。然而，该技术目前的局限性很可能影响了斯坦福大学在这项特殊工作中使用猪做实验的决定。

斯坦福大学生物工程学助理教授Mark Skylar-Scott

Skylar-Scott总结说：我们将利用这些数量庞大的细胞进行练习、练习、再练习，学习心脏的所有设计规则，并在全心范围内优化存活率和功能，以便最终植入猪体内。为防止排斥反应，生物打印的人类心脏将移植到患有严重先天性免疫缺陷的猪体内。不过，研究小组的方法使用的是病人特异性干细胞，移植到病人体内时可能不需要免疫抑制。

研究人员补充说：“用自己的细胞制造自己的心脏，这就是我们的梦想。”但他也很谨慎，虽然愿望很高，但要完全实现这个梦想，特别是为人类实现这个梦想，可能还需要几十年的时间。不过，像这样的项目对于接近这一现实至关重要。

生命矩阵

为了支持这项艰巨的任务，研究小组不仅计划开发新的3D打印技术，而且已经开始与斯坦福大学医学院的外科医生合作。研究人员说，他们的专业知识对于指导生物打印过程至关重要，可以确保组织的坚固性适合植入。毕竟，生物3D打印心脏不仅仅是生物工程师的任务。它需要各个领域的专业知识：了解心脏功能的心脏病学、决定最佳生物材料的材料科学、生产细胞的生物化学等。

此外，推动该项目的是美国卫生与公众服务部（HSS）下属的健康高级研究计划局（ARPA-H）提供的一份价值2630万美元的联邦合同。这是ARPA-H的开放式广泛机构公告（Open BAA）的一部分。这一具有里程碑意义的倡议响应了当前美国政府的愿景，即通过按需3D打印解决器官移植严重短缺的问题。

目前，有超过10万名美国公民正在等待心脏和肾脏等重要器官的移植。令人震惊的是，每年有6000多人因无法获得匹配器官而丧生。此外，还有数百万人需要角膜、皮肤和软骨等组织进行移植，这可能会改变他们的生命。

器官“奥德赛”

为了解决这个问题，ARPA-H启动了“通过再生组织打印促进健康发展”（HEART）项目。斯坦福大学承担了这项任务的核心工作。研究团队必须提高细胞纯度，提升3D生物打印的速度，并开创计算建模和组织成熟技术。

正如ARPA-H项目经理Paul Sheehan所解释的那样：HEART项目设定了一个雄心勃勃的目标，即在1小时内用3D打印出一个正常工作的人类心脏。该项目正是ARPA-H希望支持的具有挑战性和影响力的课题。该项目的成功需要多种技术进步，而这一成功可以极大地改善那些等待移植病人的生活。

在1小时内制作出一颗可正常工作的3D打印人体心脏，这在今天听起来可能是一个巨大的愿望，但它仍然是一个长期目标。这一细分领域的许多其他研究人员也有同样的雄心壮志。斯坦福大学雄心勃勃的项目突破了界限，为创新铺平了道路，可能会重新定义我们所知的生命。研究团队相信生物打印技术具有巨大潜力，该项目让人们看到了一个诱人的未来，在这个未来里，解决方案是量身定制的，可以从根本上解决健康问题。