定制工程生活组织来修复心脏的挑战

建业“杰伊”张，M.D.，Ph.D.，将他的生物医学工程专业知识带到了伯明翰大学的伯明翰大学来修复心灵。

他的梦想——以及世界各地主要研究型大学的其他心脏专家的梦想——是创造新的组织在心脏病发作后，可以替换或保护受损的肌肉。

当他和同事受到心脏病后攻击心力衰竭的保护猪时，张已经向该目标做了重大步骤。如他2014年所述细胞干细胞在纸上，研究人员在肌肉死亡的区域放置了一层纤维蛋白，并注射了三种类型的心血管细胞在垫子下面。这有点类似于通过在干草的保护层下方散射草种子来开始新的草坪。纤维蛋白帮助一些注射的细胞存活并生长，而且它们反过来保护心脏从进一步的损伤中受到保护。

While Zhang's colleague at the University of Paris Descartes, Philippe Menasche, M.D., Ph.D., is currently testing this approach on five patients, Zhang is launching a new effort in biomedical engineering to improve heart repair, supported by a new $3 million grant from the National Heart, Lung and Blood Institute of the NIH.

而不是注射单个细胞希望他们服用种子，张计划机器人地建造和展现垫子心脏组织由单个细胞制成，使用定制的3d打印机。然后，外科医生将这种由活细胞制成的特制垫子覆盖在坏死的梗死心脏组织上，这有点类似于铺设草皮来开辟一片新草坪。

“我们将使用机械专家、机器人专家和计算机科学专家，制造自己的打印机，”张说。去年秋天，他成为了弗吉尼亚大学医学院和工程学院联合成立的生物医学工程学院的新负责人。“一只机械臂将从培养皿中收集各种类型的细胞，并将它们放在间隔只有几微米的细针上。生长中的细胞在三到七天后融合，形状基于这些针。”

“然后我们可以抬起组织，”张说。“这是脚手架的组织工程。我已经有两个博士生参与了这个项目。”

通过MRI测量，该工程化组织将是“印刷秩序”，以匹配心脏中死组织的尺寸和形状。气血压的心脏组织可能非常大，面积高达2厘米，5毫米厚（约0.8乘0.2英寸）。所有作品必须在培养基中的无菌条件下进行，该培养基提供氧气和营养物以保持细胞活着。

这种UAB心肌组织贴片，与Menasche，Duke University和威斯康星大学合作进行，需要在猪模型中进行测试，然后才能转向人类试验。“我们希望在七年内将其带到临床实践中，”张说。“这就是我来UAB的原因。”

张说，UAB在心脏电生理学中的临床和研究专业知识将是至关重要的，因为贴片可能导致心脏心律失常，或者打得不均匀，如果它干扰电生理波的仔细时间，导致泵送的每种平滑收缩。工程师和临床医生需要学习如何构建3-D组织以避免任何并发症。

随着张教授在组织工程领域的不断拓展，他还邀请专家到学校参加一年一度由美国国立卫生研究院赞助的心血管组织工程研讨会。

在2015年，在张某来到UAB之前，张主导的医生和科学家群在斯坦福大学举行会议，并在六月出版的五个中央挑战的角度，“蒸馏复杂性，”举行2016年8月8日科学转化医学。除了张，作者还包括来自明尼苏达大学、杜克大学、哈佛大学医学院、斯坦福大学、巴黎笛卡尔大学、华盛顿大学、多伦多大学、哥廷根乔治-奥古斯特大学和哥伦比亚大学的研究人员。

该研讨会在Ura去年3月在2016年会议上举行会议，并将在2017年在UAB见面。

研究详情

心脏病发作后，心肌细胞左心室是心脏最强大的泵室，它的梗死疤痕边缘被过度拉伸。几周、几个月或几年后，这可能导致心脏增大，称为梗死后左心室重塑。这会导致心脏衰竭。

制造工程化组织的基础是为了防止重塑依赖于用干细胞的研究进展，具有分化成不同类型细胞的细胞。2014年细胞干细胞例如，纸张使用三种类型的心血管细胞组合来源于人诱导的多能干细胞 - 心肌细胞，内皮细胞和平滑肌细胞。纤维蛋白贴剂还被设计为释放胰岛素样生长因子。

心肌细胞能够融入心脏并形成有组织的肌肉结构，而内皮细胞和平滑肌细胞则参与了心脏血管的形成。接受这种三龄细胞移植的猪在左心室功能、心肌代谢和小动脉密度方面有显著改善心动脉。移植还减少了梗塞大小，心室壁应力和凋亡，或编程的细胞死亡。此外，治疗没有产生心律失常。

对于患有巴黎人类患者的临床试验，Menasché正在使用来自人类的三轴细胞胚胎干细胞。

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