脑力突破？杜克大学科学家帮助在人体外创建第一个活体生物打印动脉瘤

达勒姆 – 大约每 50 个美国人中就有 1 人患有脑动脉瘤，如果动脉瘤破裂，可能会导致严重的医疗紧急情况，包括中风、脑损伤和死亡。现有的治疗方法有限，而且通常具有侵入性，手术结果因人而异。

但由于研究人员的努力，医疗从业者或许能够改进现有的治疗方法，开发新的个性化治疗方法 劳伦斯利弗莫尔国家实验室 （LLNL）及其外部合作者。该团队包括杜克大学的科学家和 德克萨斯 A&M，成为第一个在人体外制造出活体生物打印动脉瘤、对其进行医疗程序并观察其像在真实人脑中一样做出反应和愈合情况的人。

正如期刊中所述 生物制造，由工程师 William “Rick” Hynes 和 Monica Moya 领导的 LLNL 团队成功复制了动脉瘤 体外 通过 3D 打印人类脑细胞血管，Hynes 对打印的动脉瘤进行了血管内修复手术——将导管插入血管，并将铂金线圈紧密地塞入动脉瘤囊内。在填充治疗后，研究人员将血浆注入动脉瘤，并观察到线圈所在位置形成血凝块，从而切断液体流动。研究人员还能够观察到血管内皮细胞的“术后”愈合过程。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家表示，该平台与计算机建模相结合，代表着根据个人血管形状、血压和其他因素开发针对性动脉瘤治疗的重要一步，并有助于克服生物医学工程的最大障碍之一——新手术技术和新技术从实验室走向临床所需的时间。

“虽然有很多有希望的治疗方案，但有些还有很长的路要走，”该项目的首席研究员莫亚说。“动物模型不一定是试验这些方案的最佳方式，因为它们缺乏对治疗效果的直接观察，并且动脉瘤的几何形状无法控制。拥有这个强大的人体体外测试平台可以帮助促进新的治疗方法。如果我们能用这些设备尽可能多地复制动脉瘤，我们可能会帮助加速这些产品进入临床，并为患者提供更好的治疗选择。”

脑动脉瘤是由动脉壁变弱引起的，其特征是脑血管“膨胀”或膨胀，如果破裂可能会致命。一种常见的治疗方法是手术“夹闭”——将金属夹固定在动脉瘤底部，以改变血流方向并防止其破裂。该手术具有高度侵入性，需要外科医生打开头骨并暴露大脑。在某些情况下，例如当动脉瘤位于大脑内难以接近的区域时，治疗甚至不是一种选择。

一种更常见且侵入性较小的治疗方法是血管内金属栓塞术，外科医生将一根细金属导管插入腹股沟动脉，穿过身体进入动脉瘤，用线圈或支架填塞动脉瘤，使其凝结。血管内皮细胞在凝结的栓塞上生长，将动脉瘤与其余血管隔开。研究人员表示，“栓塞”的缺点是成功率高度依赖于多种因素，包括患者血管的几何形状，而每个人的血管几何形状都不同。

为了消除动脉瘤治疗中的一些猜测，最初提出该项目的首席研究员海因斯意识到研究人员需要一种方法来验证更具预测性的 3D 模型，这些模型将患者的几何形状考虑在内。海因斯说，使用人体细胞进行生物打印，研究人员可以创建与计算机模型完全相同的生物学相关的动脉瘤干预实验模型，以便准确、轻松地验证它们。

“我们研究了这个问题，并认为如果我们能够将计算建模和实验方法结合起来，也许我们可以想出一种更确定的方法来治疗动脉瘤或选择最适合患者的治疗方法，”负责该项目第一年的海因斯说。“现在我们可以开始构建个性化模型的框架，外科医生可以使用该模型来确定治疗动脉瘤的最佳方法。”

海因斯表示，劳伦斯利弗莫尔国家实验室正在采取“三管齐下”的方法，与劳伦斯利弗莫尔国家实验室前科学家邓肯·梅特兰（Duncan Maitland）合作。梅特兰领导着德克萨斯农工大学的一个生物医学工程小组，同时也是一家开发用于治疗动脉瘤的实验性形状记忆线圈的公司的负责人。 阿曼达·兰德斯他是实验室前计算科学家，现任杜克大学助理教授，开发了一种模拟血流的代码，称为 HARVEY。实验室研究人员利用该设备验证了 Randles 的流体动力学模型，验证了在现实世界中可以观察到的结果。在低流速下，研究人员发现几乎没有血液流入动脉瘤，而当流速增加时（例如当人激动或紧张时），血液会在整个动脉瘤内循环流动，就像真正的脑动脉瘤一样。

研究人员表示，通过将 3D 打印平台与计算模型相结合，他们开发出了一种潜在的工具，可以帮助外科医生预先选择完全填满动脉瘤所需的最佳线圈类型，以获得最佳治疗效果，并在对患者进行手术之前进行“试运行”。

“本质上，临床医生可以查看某人的脑部扫描图，通过建模软件运行，软件可以显示治疗前的流体动力学，”海因斯说。“它还应该能够模拟治疗，并允许医生缩小到某种类型的线圈或填充体积，以确保获得最佳效果。”

大多数动脉瘤计算模型都是通过诱发动物动脉瘤并对其进行手术来验证的。研究人员解释说，动物模型并不完善，因为很难收集它们的数据，而且它们的血管几何形状无法复制。科学家还使用非生物设备，例如 3D 打印硅胶管，其中可以控制血管几何形状，但结果可能无法反映人类生物学。

研究人员表示，与动物模型不同，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的平台允许科学家直接测量血管和动脉瘤内的流体动力学，同时保持生物相关性，这是验证计算机模型的最佳方法。

“这是一个理想的计算机模型平台，因为我们可以进行这些流量测量，如果在动物身上进行这些测量，将非常困难，”莫亚说。“令人兴奋的是，这个平台模拟了血管顺应性和脑组织的机械刚度。它也足够坚固，可以处理线圈手术。你会看到血管膨胀和移动，但它能够承受手术——非常像在体内一样。这使得它非常适合用作外科医生的培训平台或栓塞设备的体外测试系统。”

研究人员表示，除了针对患者的护理和作为外科手术培训的试验台外，该平台还有可能提高对基础生物学和术后愈合反应的理解。

虽然早期结果令人鼓舞，但研究人员警告称，该平台在临床环境中应用还有很长的路要走。该团队的下一步是将 LLNL 计算工程师兼论文合著者 Jason Ortega 开发的二维血液凝固模型与 Randles 的 3D 流体动力学模型相结合，以三维方式模拟血凝块在线圈作用下的形成过程。他们的目标是将传统的裸线圈与 Maitland 开发的实验性形状记忆聚合物线圈进行比较，后者旨在在动脉瘤内扩张，以促进更好的凝血并改善患者的预后。

这项研究由实验室指导研究与开发计划资助。合著者包括德克萨斯农工大学的 Lindy Jang、劳伦斯利弗莫尔国家实验室的 Javier Alvarado 和 Elisa Wasson、杜克大学的 Marianna Pepona 和 Shape Memory Medical 的 Landon Nash。

(C) 杜克大学

原文来源： WRAL 技术线