為了從頭開始構(gòu)建人類心臟，研究人員需要復(fù)制構(gòu)成心臟的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。這包括重建螺旋幾何形狀——當(dāng)心臟跳動(dòng)時(shí)，螺旋幾何形狀會(huì)產(chǎn)生扭曲的運(yùn)動(dòng)。長期以來，人們一直認(rèn)為這種扭曲運(yùn)動(dòng)對大量泵血至關(guān)重要，但事實(shí)證明這很困難，部分原因是制造具有不同幾何形狀和排列的心臟具有挑戰(zhàn)性。
如今，美國哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）生物工程師使用一種新的增材紡織品制造方法（FRJS），開發(fā)了第一個(gè)具有螺旋排列跳動(dòng)心臟細(xì)胞的人類心室生物雜交模型，并證明其肌肉排列確實(shí)會(huì)顯著增加每次收縮時(shí)心室可以泵出的血液量。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于7月7日出版的《科學(xué)》雜志。
研究通訊作者、SEAS的Tarr家族生物工程和應(yīng)用物理學(xué)教授Kevin Kit Parker表示，這項(xiàng)工作是器官生物制造向前邁出的重要一步，使人們更接近于建立用于移植的人體心臟的最終目標(biāo)。
SEAS博士后研究員、論文共同第一作者John Zimmerman說，該研究的目標(biāo)是建立一個(gè)模型，從而測試心臟的螺旋結(jié)構(gòu)是否對達(dá)到大的射血分?jǐn)?shù)（即每次收縮時(shí)心室泵送的血液百分比）至關(guān)重要，并研究心臟螺旋結(jié)構(gòu)的相對重要性。
研究人員使用FRJS系統(tǒng)控制纖維的排列，從而在纖維上生長心臟細(xì)胞。FRJS的第一步就像棉花糖機(jī)一樣——液體聚合物溶液被裝入儲(chǔ)層，并在設(shè)備旋轉(zhuǎn)時(shí)被離心力從一個(gè)小開口推出。當(dāng)溶液離開儲(chǔ)層時(shí)，溶劑蒸發(fā)，聚合物凝固形成纖維。然后，當(dāng)纖維沉積在收集器上時(shí)，集中的氣流會(huì)控制纖維的方向。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過傾斜和旋轉(zhuǎn)收集器，流體中的纖維會(huì)在收集器旋轉(zhuǎn)時(shí)纏繞和扭曲，模仿心肌的螺旋結(jié)構(gòu)，改變收集器的角度可以調(diào)整纖維的排列。
SEAS博士后研究員、論文共同第一作者Huibin Chang表示，人類心臟實(shí)際上有多層螺旋排列的肌肉，且角度不同。使用FRJS，能以非常精確的方式重建這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，形成單個(gè)甚至4個(gè)腔室結(jié)構(gòu)。
與3D打印不同，F(xiàn)RJS可以以單微米比例快速旋轉(zhuǎn)纖維，大約相當(dāng)于人類頭發(fā)的1/50。當(dāng)從頭開始制造一顆心臟時(shí)，這一點(diǎn)很重要。以膠原蛋白為例，在這個(gè)分辨率下，3D打印人類心臟的每一點(diǎn)膠原蛋白需要100多年的時(shí)間，而FRJS可以在1天內(nèi)完成。
隨后，研究人員分別在心室中植入大鼠心肌細(xì)胞或人干細(xì)胞來源的心肌細(xì)胞。大約1周內(nèi)，幾層薄薄的跳動(dòng)組織覆蓋在支架上，細(xì)胞沿著下面的纖維排列。跳動(dòng)的心室模仿了人類心臟中相同的扭曲運(yùn)動(dòng)。
研究人員比較了由螺旋排列纖維制成的心室和由圓周排列纖維制成的心室之間的變形、電信號速度和射出分?jǐn)?shù)。他們發(fā)現(xiàn)，在每個(gè)方面，螺旋排列的組織的表現(xiàn)都優(yōu)于圓周排列的組織。
該團(tuán)隊(duì)還證明，這個(gè)過程可以擴(kuò)展到實(shí)際人類心臟的大小，甚至大到小須鯨心臟的大小。除了生物制造，該團(tuán)隊(duì)還探索了FRJS平臺的其他應(yīng)用，如食品包裝。（辛雨）
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