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程，在CVD 終末期， 通常需要進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、捐贈者、動物、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，CTE 的另一個優(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，進一步精確地表達心肌結(jié)構(gòu)和生理病理特點。 文章將對3D 生物打印技術(shù)在CTE 中的研究進展進行探討。

1 心臟解剖學(xué)及心肌病

對于哺乳動物， 心臟是體循環(huán)和肺循環(huán)的交叉點，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、橫向和斜向運動的心肌組織，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，如冠狀動脈缺血性心臟病、嚴重的先天性心臟病、某些細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?。╟oronary artery heart disease，CAD） 患者進行術(shù)前精確規(guī)劃。Lau IWW 等[10]報道了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)流程順利進行，特別是用于處理復(fù)雜的CAD 病例。Xu J 等[11]研究報道，借助針對患者病情特定的3D 生物打印模型，可以制訂個性化的治療策略和最佳的手術(shù)方案。 Tuncay V 等[12]報道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） 治療中的潛在價值，TAVR 植入后，將打印好的模型連接到一個封閉的壓力系統(tǒng)進行評估。 最后，將3D 打印模型測量的PVL 與TAVR 患者的超聲心動圖檢測的PVL 進行比較， 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 具有潛在價值。 Haghiashtiani G等[15]進一步將3D 打印的主動脈模型進行優(yōu)化，通過CT 圖像創(chuàng)建兩個患者特異性的主動脈根部模型，每個模型都包括主動脈壁、心肌、主動脈瓣葉和鈣化區(qū)，使用4 種生物墨水打印代表不同的解剖結(jié)構(gòu)，同時設(shè)計生物瓣膜假體模擬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值，可以降低TAVR 手術(shù)相關(guān)風(fēng)險，從而有助于開發(fā)新型醫(yī)療設(shè)備。

此外，3D 打印技術(shù)還可用于冠狀動脈異常的治療，3D 冠狀動脈模型在模擬冠狀動脈介入手術(shù)、 指導(dǎo)復(fù)雜冠狀動脈疾病的治療方面具有重要意義；3D 冠狀動脈模型的另一個應(yīng)用是提高對冠狀動脈異常的認識。Lee M 等[16]研究顯示3D 冠狀動脈打印模型可以增強對冠狀動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)前計劃等。3D 冠狀動脈模型還可用于制定冠狀動脈支架置入術(shù)中的鈣化斑塊和冠狀動脈腔的最佳CT 掃描方案。研究[17，18]表明，通過構(gòu)建3D 冠狀動脈模型，將6 種不同直徑的支架放置在冠狀動脈內(nèi)模擬冠狀動脈支架植入術(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脈解剖的關(guān)系。3D 冠狀動脈模型也可以模擬冠狀動脈的血流， 反映CAD 發(fā)展過程中血流動力學(xué)的變化。 Sommer KN 等[19]通過制作3D 冠狀動脈模型模擬冠狀動脈遠端阻力和順應(yīng)性，在流速為80 ～160 mL/min 時，成功測量了3 個主要冠狀動脈（包括右冠狀動脈、左前降支和左旋支）的壓力，結(jié)果顯示以上主要冠狀動脈的腔阻力可以忽略不計。 此研究開發(fā)了一種創(chuàng)新的利用3D 打印模型模擬真實的冠狀動脈生理血流的方法，從而可以進一步全面分析和模擬冠狀動脈血流變化。

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行3D 生物打印之前，首先要創(chuàng)建患者特定的3D 模型。 目前常用的3D 模型成像技術(shù)包括心臟計算機斷層掃描（electrocardiography-gated computer tomography, CT）、3D 超聲心動圖和心臟磁共振成像 （cardiac magnetic resonance，CMR）。 因CT 和3D 超聲心動圖的局限性，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 超聲心動圖和超聲心動數(shù)據(jù)進行分析，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，基于像素閾值強度對目標(biāo)的幾何解剖進行識別和分割；下一步“堆疊”單個心臟組織的2D 圖像，以便將同一強度范圍內(nèi)的像素分組，并用單一材料進行打??；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)育中的組織提供機械支持， 因此在CTE 中常使用水凝膠模擬原組織中的3D 細胞外基質(zhì)；而且交聯(lián)水凝膠具有高度的多孔性， 允許細胞遷移和支架填充， 并允許營養(yǎng)物質(zhì)輸送到細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，海藻酸鹽不能與細胞黏附。 因此，將海藻酸鹽作為生物墨水時，必須在其上面覆蓋支持心臟組織發(fā)育的細胞黏附部分，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）多肽后可以促進心肌組織的生成[23]。 海藻酸鹽作為生物墨水能夠為心肌細胞的生長提供環(huán)境；還可以通過調(diào)節(jié)聚合物的交聯(lián)程度調(diào)節(jié)材料的機械性能。Zisch AH等[24]利用細胞負載的改性海藻酸鹽作為生物墨水進行生物打印以制造人類胎兒心肌細胞構(gòu)建物，研究結(jié)果表明， 細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胞外基質(zhì)。

4.2 明膠

明膠是將豬、魚等動物的皮膚、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，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)干細胞、小鼠成肌細胞或小鼠胚胎成纖維細胞， 可使細胞在培養(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。 纖維蛋白支架在構(gòu)建心臟瓣膜、心肌、主動脈導(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)報道，在成年大鼠股動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血管通道的毛細血管，為3D 生物打印的心臟組織提供毛細血管網(wǎng)絡(luò)，使氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)能夠到達支架包圍的細胞。 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，在不久的將來，3D 打印技術(shù)在CTE 中應(yīng)用會越來越廣泛，有利于患者的護理和臨床實踐。