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发布于2022年7月13日上午5点
在美国，心脏病是导致死亡的主要原因，它之所以如此致命，部分原因是心脏与其他器官不同，在受伤后无法自我修复。这就是为什么组织工程，最终包括批发制造用于移植的整个人类心脏，对心脏医学的未来如此重要。这项研究发表在科学．
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。这包括重新创造螺旋几何图形，在心脏跳动时产生扭曲运动。长期以来，人们一直认为这种扭曲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对齐方式的心脏一直具有挑战性。
现在，来自哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的生物工程师们已经开发了第一个具有螺旋排列的跳动心脏细胞的人类心室生物混合模型，并且已经表明，事实上，肌肉排列确实极大地增加了心室每次收缩时可以泵出的血液量。
这一进步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，这种方法能够高通量制造直径从几微米到数百纳米不等的螺旋排列纤维。由Kit Parker的疾病生物物理小组在SEAS开发的FRJS纤维指导细胞排列，允许形成受控的组织工程结构。
“这项工作是器官生物制造的重要一步，使我们更接近构建用于移植的人类心脏的最终目标，”该论文的高级作者、sea生物工程和应用物理学塔尔家族教授帕克说。
解开了一个300年的谜团
这项工作源于一个古老的谜团。1669年，英国内科医生理查德·洛尔(Richard Lower)在他的开创性工作中首次注意到心肌呈螺旋状排列。洛尔的同事约翰·洛克(John Locke)是他的同事，国王查理二世(King Charles II)也是他的病人法典。
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，但这些螺旋状肌肉的目的仍然令人沮丧地难以研究。
1969年，阿拉巴马大学伯明翰医学院(University of Alabama Birmingham Medical School)生物数学系主任爱德华·萨林(Edward Sallin)认为，心脏的螺旋排列对于获得大的射血分数(每次收缩时心室泵出的血液的百分比)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测试Sallin的假设，并研究心脏螺旋结构的相对重要性，”John Zimmerman说，他是SEAS的博士后研究员，也是该论文的共同第一作者。
为了验证Sallin的理论，SEAS的研究人员使用FRJS系统来控制纺丝纤维的排列，在这些纤维上他们可以生长心脏细胞。
FRJS的第一步工作原理就像一台棉花糖机——液体聚合物溶液被装入储液器，随着设备旋转，通过离心力从一个微小的开口推出。当溶液离开储层时，溶剂蒸发，聚合物凝固形成纤维。然后，聚焦气流控制纤维的方向，因为它们被沉积在一个收集器上。研究小组发现，通过倾斜和旋转收集器，气流中的纤维会在收集器旋转时对准并扭曲，模拟心肌的螺旋结构。
可以通过改变集电极的角度来调整纤维的排列。
“人类心脏实际上有多层螺旋排列的肌肉，排列角度不同，”sea的博士后、该论文的共同第一作者张惠斌说。“有了FRJS，我们可以以一种非常精确的方式重建这些复杂的结构，形成单腔甚至四腔心室结构。”
与3D打印不同的是，特征越小速度越慢，FRJS可以在单微米尺度上快速旋转纤维，比一根头发小50倍左右。这一点对于从零开始建造心脏非常重要。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。以这种分辨率3D打印人类心脏中的每一点胶原蛋白需要100多年的时间。FRJS可以在一天内完成。
旋转后，将大鼠心肌细胞或人干细胞来源的心肌细胞植入心室。大约在一周内，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中同样的扭曲或扭动运动。
研究人员比较了由螺旋排列纤维制成的心室和由圆周排列纤维制成的心室之间的心室变形、电信号的速度和射血分数。他们发现，在各个方面，螺旋排列的组织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测试过的关于心脏层流结构螺旋结构的观察。幸运的是，萨林教授在半个多世纪前发表了一个理论预测，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。”
研究小组还证明，这一过程可以扩大到实际人类心脏的大小，甚至更大，到小须鲸心脏的大小(他们没有在更大的模型中植入细胞，因为这需要数十亿个心肌细胞)。
除了生物制造，该团队还探索了FRJS平台的其他应用，如食品包装。
哈佛大学技术开发办公室已经保护了与该项目有关的知识产权，并正在探索商业化机会。
它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)和国家先进转化科学中心(UH3TR000522, 1-UG3-HL-141798-01)的部分支持。
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就像你在网上读到的任何东西一样，这篇文章不应该被理解为医学建议;在改变你的健康习惯之前，请咨询你的医生或初级保健提供者。
内容可以根据风格和长度进行编辑。
提供的资料:
这篇文章是由利亚洞穴哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院
https://www.seas.harvard.edu/news?search=%22Leah%20Burrows%22
https://www.seas.harvard.edu/news/2022/07/major-step-forward-organ-biofabrication
