生物打印可灌注的血管化骨骼肌瓣用于治疗大体积肌肉损失

2025-02-05 Wed
针对《Bioprinting Perfusable and Vascularized Skeletal Muscle Flaps for the Treatment of Volumetric Muscle Loss》的学术报道背景介绍肌肉组织在人体细胞中占据主要地位，同时也是一种复杂且高度血管化的动态组织。然而，由创伤或手术导致的体积性肌肉损失（Volumetric Muscle Loss，VML），指的是功能区域内超出20%的肌肉组织缺失，这种缺失常常导致严重的功能性残疾。标准治疗手段主要依赖于将自体肌肉移植物从健康供区转移至受损区域，但这样的手术通常伴随着供区并发症（donor-site morbidity），并且肌肉组织的供应也极为有限。
目前，组织工程（Tissue Engineering, TE）领域以细胞和细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）为基础，致力于开发新方法以实现肌肉的再生和功能恢复。然而，传统技术如无细胞基质和细胞片段等往往缺乏分层结构和血管化，超过了扩散限制后便难以维持移植物的活性。尽管已有研究使用3D生物打印（3D Bioprinting）制造血管化的肌肉移植物，但这些技术大多依赖漫长的去细胞过程（Decellularized ECM Bioinks），且缺乏能够快速灌注的分层血管结构。
本研究的创新点在于提出了一种多模态生物打印（Multimodal Bioprinting）的新方法，不仅能够打印厚度可观并具有分层血管网络的肌肉瓣，还开发了一种工程化的大型血管（Macrovessel），实现了肌肉瓣在体内移植、灌注和整合。这一工作意在解决传统技术的扩散瓶颈，为临床治疗体积性肌肉损失提供新方案。
文献来源与研究团队本文题为“Bioprinting Perfusable and Vascularized Skeletal Muscle Flaps for the Treatment of Volumetric Muscle Loss”，由Technion-Israel Institute of Technology（以色列理工学院）生物医学工程系的Eliana O. Fischer、Anna Tsukerman、Shulamit Levenberg等人完成。研究发表在2025年的《Advanced Healthcare Materials》期刊上，文章受到欧盟Horizon 2020研究创新计划（项目编号818808）的资助。
研究流程详解本研究围绕多模态3D生物打印技术，采用步骤化的设计，完成了从体外打印到体内移植的全过程。以下为研究的主要步骤：
1. 生物墨水与细胞优化研究对象：研究使用源自人类细胞的墨水，包括骨骼肌细胞（Human Skeletal Muscle Cells, HSKMCs），内皮细胞（Human Umbilical Vein Endothelial Cells, HUVECs）和周细胞（Pericytes）。
墨水制备：采用基于纤维蛋白的墨水（Fibrin-based Bioink），其成分包括纤维蛋白原（15 mg/ml）和凝血酶（Thrombin, 10 U/ml），加载有高达35-40 × 10⁶细胞/ml的细胞浓度。
初步实验：研究通过插塞试验（Plug Test）评估纤维蛋白墨水中的单培养（HSKMCs）、共培养（HUVECs+Pericytes）及三培养（HSKMCs+HUVECs+Pericytes）条件，对比不同组别的血管生成能力及肌肉分化特性。荧光强度和活性显示，各组别的存活率均超过90%。
2. 多层血管化结构的生物打印生物打印过程：
采用挤出式打印法（Extrusion Bioprinting Method），按步骤分别打印骨骼肌细胞、内皮细胞及支撑细胞，最终形成复合组织。
在打印的纤维蛋白凝胶周围插入由液态聚乳酸/聚乙醇酸（PLLA/PLGA）制成的宏血管，以防止结构塌陷。
形成分层血管网络：宏血管通过分支微血管与打印的肌肉组织相连，整体构建具备机械稳定性且均匀分布的血管网络。
3. 血管结构流体动力学模拟与力学测试计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）：通过ANSYS软件模拟宏血管和微血管的流速、剪切应力及压力，结果显示模型与大鼠股动脉的天然流动参数一致。
有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）：分析宏血管的弹性模量（40.5 MPa）和安全系数（Safety Factor, 15），证明其在生理压力下耐受性良好。
4. 构建功能性体系及体内移植功能验证：利用同轴缝合技术将宏血管与大鼠股动脉对接，实现即时灌注，灌注效率通过激光散斑分析（Laser-Speckle Analysis）确认。
对照组设计：
实验组：灌注的生物打印肌肉瓣。
阳性对照组：未干预血液流动的组织移植物。
阴性对照组：股动脉结扎。
灌注组的肢体血流量始终维持在65%以上，而结扎组仅达到正常肢体流量的50%。
研究结果详解1. 血管灌注与功能验证微CT成像：灌注牲体内的肌肉瓣在工程宏血管内显示有清晰的对比剂分布，血管通畅。
组织学检测：CD31免疫荧光染色和H&E染色显示，灌注动物组中显现了大量新生血管，并观察到丰富的红细胞分布。
2. 肌肉分化与组织整合显微成像：灌注组的移植物中，新形成的肌纤维具有方向性和显著肌肉分化标记（Desmin、Myosin Heavy Chain）。
肌核评估：灌注肌肉胞核数量显著高于未灌注组，每根新纤维平均含有接近39.2个肌核。
组织活性指标：灌注组显现了更高的基质密度，而且透明质酸沉积最少。
3. 力学特性与灌注表现宏血管在生理压力下保持形状和连续性，微血管区域的流体动力学参数与天然血管高度吻合。
研究的结论与意义结论：本研究首次开发可植入、灌注的多模态3D生物打印血管化肌肉瓣，验证了其与体内循环系统连接后即刻灌注和快速整合的能力。灌注显著增强了新生血管生成、肌肉分化和组织活性。
意义：
1. 科学价值：高效、分层血管化肌肉系统的生产，突破传统扩散限制，对组织再生医学和器官工程具有重要意义。
2. 应用价值：此方法为量身定制的大规模组织修复和VML临床治疗提供了全新思路。
亮点：
- 创新性的多模态生物打印策略；
- 高效和生理模拟化血管网络；
- 短时实现肌肉分化，减少培养期。
总结本研究描绘了VML治疗的新前景，通过多模态生物打印联合宏血管灌注技术，提出了一种解决肌肉缺失的创新性方法。这一潜力巨大的方法不仅为组织修复领域提供了突破性解决方案，还为未来更复杂的组织和器官打印奠定了技术基础。