人類心臟橫截面圖 圖片來源：matis75 / stock.adobe.com
為了從頭開始構建人類心臟，研究人員需要複製構成心臟的獨特結構。這包括重建螺旋幾何形狀，當心臟跳動時，螺旋幾何形狀會產生扭曲的運動。長期以來，人們一直認為這種扭曲運動對大量抽血至關重要，但事實證明這一點很困難，部分原因是創造具有不同幾何形狀和排列的心臟具有挑戰性。
現在，哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）生物工程師使用一種增材紡織品製造方法（FRJS），開發了第一個具有螺旋排列跳動心臟細胞的人類心室生物雜交模型，並表明肌肉排列確實會顯著增加每次收縮時心室可以泵出的血液量。相關研究結果發表於7月7日《科學》。
研究通訊作者、SEAS的Tarr家族生物工程和應用物理學教授Kevin Kit Parker表示，這項工作是器官生物製造向前邁出的重要一步，使我們更接近於建立人體心臟用於移植的最終目標。
SEAS博士後研究員、論文共同第一作者John Zimmerman說，該研究的目標是建立一個模型，從而測試心臟的螺旋對齊是否對達到大射血分數（即每次收縮時心室泵送的血液的百分比）至關重要，並研究心臟螺旋結構的相對重要性。
研究人員使用FRJS系統來控制紡纖維的對齊，他們可以在上面生長心臟細胞。FRJS的第一步就像棉花糖機一樣——液體聚合物溶液被裝入儲層，並在設備旋轉時被離心力從一個小開口推出。當溶液離開儲層時，溶劑蒸發，聚合物凝固形成纖維。然後，聚焦氣流控制纖維沉積在收集器上的方向。研究人員發現，通過傾斜和旋轉收集器，溪流中的纖維會在收集器旋轉時對齊和扭曲，模仿心肌的螺旋結構，改變收集器的角度可以調整纖維的對齊。
SEAS博士後研究員、論文共同第一作者Huibin Chang表示，人類心臟實際上有多層螺旋對齊肌肉，且排列角度不同。使用FRJS，能以非常精確的方式重建這些複雜的結構，形成單個甚至四個腔室結構。
與3D打印不同，FRJS可以以單微米比例快速旋轉纖維，或比單個人類頭髮小約50倍。當涉及到從頭開始建立一顆心臟時，這一點很重要。以膠原蛋白為例，在這個分辨率下，3D打印人類心臟的每一點膠原蛋白需要100多年的時間，FRJS可以在一天內完成。
紡織後，研究人員分別在心室中植入大鼠心肌細胞或人幹細胞來源的心肌細胞。大約一周內，幾層薄薄的跳動組織覆蓋在支架上，細胞沿着下面的纖維對齊。跳動的心室模仿了人類心臟中相同的扭曲運動。
研究人員比較了由螺旋對齊纖維製成的心室和由圓周對齊纖維製成的心室之間，心室變形、電信號速度和射出分數。他們發現，在每個方面，螺旋對齊的組織的表現都優於圓周對齊的組織。
該團隊還證明，這個過程可以擴展到實際人類心臟的大小，甚至大到小鬚鯨心臟的大小。除了生物製造，該團隊還探索了FRJS平台的其他應用，如食品包裝。（來源：中國科學報 辛雨）
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