醫療應用篇：3D列印與幹細胞研究推進先天性心臟病的治療

先天性心臟病是世界上最常見的先天性缺陷，每1,000名嬰兒中幾乎有九名患有此病。Michael Davis，喬治亞理工學院和埃默里大學生物醫學工程系兒童心臟研究和結果中心（HeRO）主任，致力於利用先進技術解決兒科先天性心臟缺陷，特別是幹細胞研究和3D列印。Davis和他的實驗室團隊處理包括左心發育不良綜合征（HLHS）和左心室心肌病。亞特蘭大兒童醫療中心（CHOA）一直在為Davis和他的團隊提供大量需要新型實驗性治療的兒科心臟病患者。

Davis說：「對於兒科醫生，臨床醫生非常樂於合作並嘗試新的手術和治療方法。在兒科領域，這些孩子的選擇較少，父母和臨床醫生渴望嘗試新療法。」

Davis的研究包括廣泛的幹細胞研究。幾年前，他注意到在旁路手術期間，少量組織被移除以將旁通管路運送到心臟中，然後丟棄。Davis要求並獲准使用該組織進行幹細胞研究。然後他開始提取和量化幹細胞，發現年輕細胞具有更多的修復特性，並在注射到受損組織時釋放癒合蛋白。

Davis首次使用幹細胞進行臨床試驗，自體心臟幹細胞注射治療促發性左心綜合征（ACT-HLHS）試驗，已經由FDA批准，並將在未來幾個月內進行。臨床醫生會將幹細胞注入患有先天性心臟病的嬰兒的心臟，以改善心臟的功能。

「對於HLHS的嬰兒，我們做不到讓左心室重新生長，而是試圖加強和防止現有右心室的惡化，」Davis說。「它讓寶寶的修復手術能夠成功。」

Davis觀察細胞並收集實驗室中它們行為的定量數據。他從事臍帶血、骨髓和心臟幹細胞研究。與喬治亞理工學院綜合細胞系統（EBICS）緊急行為的STC多樣性總監Manu Platt一起，Davis撰寫了一份補助金計劃，希望能夠在三個不同的臨床試驗中結合來自患者的所有細胞數據，以創建大型資料庫的細胞信號。研究信號也被稱為蛋白質分泌物，可以幫助Davis和Platt確定某些細胞在治療疾病方面的效果。

「這些細胞可以採取多種方式，我們希望收集所有可能的信息，包括它們的基因組以及它們的釋放情況，」Davis說。「我們基本上想制定方程式來確定細胞如何響應。我們想把這些數據放在一起來進行治療預測。」

這些信息將使研究人員能夠建立一個數學模型來識別細胞基因組，從而預測細胞在臨床環境中的作用。然後他們可以確定這些細胞的最佳特徵，並確定他們可以修復哪些疾病。

「如果我們可以研究細胞並分離它們的反應，我們將能夠提供幹細胞療法的個性化方法-這是該領域目前所缺乏的，」Davis說。「針對每一個患者，我們可以對他們的細胞進行排序，並立即知道要注射哪些細胞以獲得最佳結果。不同的細胞將對每個人產生不同的影響。」

Davis和他的實驗室團隊也使用3D列印來製作瓣膜和補丁。生物醫學工程博士候選人Aline Nachlas發現了一種可支持閥門單元的3D列印材料。瓣膜是使用來自患者的皮膚細胞製成的，這使得器官排斥的風險降至最低，並且允許器官與患者一起生長，這意味著將永遠不需要替換。

「我們希望這些細胞能夠列印閥門，或者至少是組成瓣膜的組織，」Davis說。「目前，兒童正在接受動物瓣膜置換術，有時這些瓣膜置換太大，而且他們不能和孩子一起生長。這意味著需要更多的手術可以取代瓣膜，以及高劑量的免疫抑製劑。我們想創造一個與孩子一起生長的活瓣。」

Davis的實驗室團隊也在研究包含幹細胞的3D列印補丁。貼片將所有幹細胞保留在一個位置，以便細胞可以修復周圍的組織。

Davis說：「很少有人試圖用3D列印補丁來治療。我的實驗室處於該研究的前沿。我們正在嘗試以合理的方式做出積極的貢獻。」

Davis希望在未來的五到十年內更多地關注3D列印，以便他可以推進再生治療，並儘可能多地將其帶到兒科患者身上。

「我的研究可能並不總是以我想要的速度進行，所以我試圖記住有一個更大的願景，」Davis說。「我們已經幫助許多患有冠心病的孩子變得更健康和更強壯。 但是，我總是問自己『我們能做得更好嗎？』」

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