科学家首次用人体细胞创造有生命的动脉瘤

来源:环球科学发布时间:2020-11-12

研究团队在体外制造了第一个生物打印活体动脉瘤,并对它进行了医疗操作程序,然后观察它的愈合情况。	

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拥有内皮细胞(绿色)和凝块(红色)的动脉瘤。图片来源:Elisa Wasson


脑动脉瘤是一种噩梦般的疾病,它会让大脑中的血管悄无声息地膨胀,并面临随时破裂的风险,从而导致危及生命的并发症。


尽管有很多治疗脑动脉瘤的方法,但脑血管手术的操作难度可以想象。因此,为了评估治疗效果并给临床医生一些动手训练的机会,理想的情况是在将治疗方法用于大脑前,使用某种替代品。


2020年10月16日,发表在《Biofabrication》上的一项研究中,来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室领导的研究团队已经将这个想法变成了现实。他们在体外制造了第一个生物打印活体动脉瘤,并对它进行了医疗操作程序,然后观察它的愈合情况。


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如果医生发现患者的脑动脉瘤还没有破裂(不幸的是,动脉瘤很难被发现,所以这种情况并不常见),他们会试图阻止血液流向这个区域。


目前有几种不同的治疗方法,但没有一种是理想的。


第一种方法是手术夹闭:这是目前的标准治疗方法。外科医生切除患者的部分头骨,在动脉瘤的底部放一个小金属夹子。


另一种方法是血管内弹簧圈栓塞术:将导管插入腹股沟的动脉,然后穿过身体到达动脉瘤。栓塞通过导管进入动脉瘤。


这两种治疗方法都会阻止或中断血液流动,这意味着动脉瘤不会变得更大,因此不会破裂。但这两种方法也都有各自的问题,很难选择对特定患者最好的方法。


该研究通讯作者、劳伦斯利弗莫尔国家实验室的工程师William Hynes说:“我们研究了这个问题,认为如果将计算模型和实验方法结合起来,也许我们可以想出一个更确定的方法来治疗动脉瘤,或者为患者选择最合适的治疗方法。现在,我们可以建立一个个性化模型的框架,外科医生可以用它来确定治疗动脉瘤的最佳方法。”


该团队使用明胶-纤维蛋白水凝胶3D打印出一个动脉瘤形状的结构,然后小心地在支架上植入hCMEC(人类大脑微血管内皮细胞)。这些细胞扩散开来,在接下来的七天中排列在动脉瘤内,形成一个3D打印的活体动脉瘤。


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(A) 3D打印的动脉瘤的示意图。(B) 动脉瘤血管结构


虽然这种假的动脉瘤以前就有过,但这是第一次用人体细胞来创造的一个有生命的动脉瘤结构。


一旦细胞扩散,研究团队就开始对新形成的动脉瘤进行实验,具体方法是让牛血浆流过该结构,然后进行血管内弹簧圈栓塞术。令人兴奋的是,弹簧圈栓塞成功地在病灶处形成了一个凝块,这意味着血液流动中断了,模型成功了!


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动脉瘤模型中的凝块(红色)和内皮细胞(绿色)


研究团队强调,在该模型能被医生使用之前,还有很长的路要走。他们仍然需要更充分地研究三维血流的计算机模型,使用更好的粒子图像测速技术,并在模拟导致动脉瘤发生的管壁剪切应力方面做得更好。


在患者脑部扫描和计算机模型系统的帮助下,他们希望这些物理模型能在某种程度上针对特定患者的动脉瘤进行个性化定制。


这是一个令人兴奋的进展,有许多潜在的用途,研究团队认为,这可能是一个比动物模型更好的评价新治疗方法的选择。与计算机模型一起使用时,它可以减少新的外科技术投入实践的时间。


研究团队在论文中写道:“这种体外模型可用于训练外科医生或医学生将神经血管装置部署到复杂的血管结构中。它可以很容易地应用于与分析栓塞装置的凝血反应和治疗后愈合反应相关的研究,以及使用由此产生的血液动力学数据分析动脉瘤形成或破裂的生物物理机制。”

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