器官生物制造的重要一步

通过重建心脏肌肉的螺旋结构，研究人员提高了对心脏如何跳动的理解。

在美国，心脏病是导致死亡的主要原因，它之所以如此致命，部分原因是心脏不像其他器官，在受伤后不能自我修复。这就是为什么组织工程，最终包括用于移植的整个人类心脏的批量制造，对心脏医学的未来如此重要。

为了从头开始构建人类心脏，研究人员需要复制构成心脏的独特结构。这包括重新创建螺旋几何图形，当心脏跳动时产生扭转运动。长期以来，人们一直认为这种扭转运动对大量泵血至关重要，但要证明这一点一直很困难，部分原因是创造具有不同几何形状和排列方式的心脏一直具有挑战性。

现在，生物工程师哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)已经开发出第一个具有螺旋排列跳动的心肌细胞的人类心室生物杂交模型，并表明，事实上，肌肉排列确实会显著增加心室每次收缩所能泵出的血液量。

这一进展是通过一种新的增材纺织品制造方法——聚焦旋转射流纺丝(FRJS)实现的，该方法能够高通量地制造直径从几微米到数百纳米的螺旋排列纤维。由基特·帕克在SEAS开发疾病的生物物理学集团FRJS纤维指导细胞对齐，允许形成受控的组织工程结构。

这项研究发表在科学．

“这项工作是器官生物制造的重要一步，使我们更接近我们的最终目标，建造用于移植的人类心脏，”帕克说，他是生物工程与应用物理学的塔尔家族教授，也是这篇论文的高级作者。

这部作品的根源是一个几百年前的谜团。1669年，英国内科医生理查德·洛尔——他曾把约翰·洛克列为他的同事，把查理二世国王列为他的病人——在他的开创性著作中首次注意到心肌的螺旋状排列Tractatus de法语。

在接下来的三个世纪里，医生和科学家们对心脏的结构有了更全面的了解，但对那些螺旋状肌肉的作用仍然很难研究，令人沮丧。

1969年，前阿拉巴马大学伯明翰医学院生物数学系主任爱德华·萨林(Edward Sallin)提出，心脏的螺旋排列对于获得大的射血分数(心室每次收缩泵出血液的百分比)至关重要。

“我们的目标是建立一个模型，在这个模型中，我们可以检验Sallin的假设，并研究心脏螺旋结构的相对重要性，”该论文的共同第一作者、SEAS博士后约翰·齐默尔曼(John Zimmerman)说。

为了验证Sallin的理论，SEAS的研究人员使用FRJS系统来控制可以生长心肌细胞的纺丝纤维的排列。

FRJS的第一步就像棉花糖机一样——液体聚合物溶液被装入一个储液器中，当装置旋转时，通过离心力从一个微小的开口推出。当溶液离开储液器时，溶剂蒸发，聚合物凝固形成纤维。然后，当纤维沉积在收集器上时，集中的气流控制纤维的方向。研究小组发现，通过倾斜和旋转收集器，当收集器旋转时，流中的纤维会对齐并围绕收集器旋转，模拟心脏肌肉的螺旋结构。

通过改变集热器的角度，可以调节纤维的对准。

“人类心脏实际上有多层螺旋排列的肌肉，排列角度不同，”该论文的共同第一作者、上海海洋工程学院的博士后张惠斌说。“有了FRJS，我们可以以非常精确的方式重建那些复杂的结构，形成单室甚至四室心室结构。”

与3D打印不同的是，3D打印的特征越小，速度越慢，FRJS可以在单微米尺度上快速旋转纤维——大约比一根人类头发小50倍。这一点在从零开始构建心脏时非常重要。以胶原蛋白为例，它是心脏中的一种细胞外基质蛋白，直径也只有一微米。用3D打印出人类心脏中的每一点胶原蛋白都需要100多年的时间。FRJS可以在一天内完成。

纺丝后，将大鼠心肌细胞或人干细胞源性心肌细胞植入心室。大约一周内，几层薄薄的跳动组织覆盖在支架上，细胞沿着下面的纤维排列。

跳动的心室模仿了人类心脏的扭动运动。

研究人员比较了由螺旋排列纤维和由周向排列纤维制成的脑室之间的脑室变形、电信号传输速度和射血分数。他们发现，在每个方面，螺旋排列的组织都优于周向排列的组织。

帕克说:“自2003年以来，我们的团队一直致力于了解心脏的结构-功能关系，以及疾病在病理上如何损害这些关系。”“在这种情况下，我们回过头来解决一个从未经过测试的观察，即心脏层流结构的螺旋结构。幸运的是，萨林教授在半个多世纪前发表了一项理论预测，我们能够建立一个新的制造平台，使我们能够测试他的假设，并解决这个古老的问题。”

该团队还证明，这一过程可以放大到实际人类心脏的大小，甚至可以放大到小须鲸心脏的大小(他们没有在更大的模型中植入细胞，因为这将需要数十亿个心肌细胞)。

除了生物制造，该团队还探索了他们的FRJS平台的其他应用，如食品包装．

的哈佛科技发展办公室保护了与该项目相关的知识产权，并正在探索商业化机会。

本书由刘其汉、李龙勇、金千如、迈克尔·m·彼得斯、迈克尔·罗斯纳奇、Suji Choi、Sean L. Kim、Herdeline Ann M. Ardoña、Luke A. macquarie、Christophe O. Chantre、Sarah E. Motta和Elizabeth M. Cordoves共同撰写。

该项目得到了哈佛材料研究科学与工程中心(DMR-1420570, DMR-2011754)、美国国立卫生研究院纳米系统中心(S10OD023519)和美国国家先进转化科学中心(UH3TR000522, 1-UG3-HL-141798-01)的部分支持。

视频:https://www.youtube.com/watch?v=ZaSRH2AaTiQ

科学杂志:
DOI:10.1126 / science.abl6395
文章标题:用聚焦旋转射流纺丝再现心脏跳动的螺旋结构-功能关系
文章发布时间:2022年7月8日

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利亚洞穴
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