《Science》在制造适合人类的人造心脏方面迈出了重要一步

要从头开始建造人类心脏，研究人员需要复制构成心脏的独特结构。这包括重建螺旋几何形状，这创造了一个扭曲的运动作为心脏跳动。长期以来，人们一直认为这种扭曲的运动对大量泵血至关重要，但证明这一点一直很困难，部分原因是创造不同几何形状和排列的心脏一直具有挑战性。

现在，来自哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)的生物工程师已经开发出了第一个带有螺旋排列跳动的心脏细胞的人类心室生物混合模型，并表明，实际上，肌肉排列确实会在每次收缩时显著增加心室的泵血量。

这一进步是通过一种新的增材纺织品制造方法——聚焦旋转喷射纺纱(FRJS)实现的，该方法能够高通量制造直径从几微米到数百纳米的螺旋排列纤维。由Kit parker疾病生物物理小组在SEAS研发的FRJS纤维可以直接引导细胞排列，从而形成可控的组织工程结构。

这项研究发表在《Science》杂志上。

parker说:“这项工作是器官生物制造的重要一步，让我们更接近构建用于移植的人类心脏的最终目标。”parker是SEAS的塔尔家族生物工程和应用物理学教授，也是这篇论文的资深作者。

这项工作起源于一个世纪之久的谜团。1669年，英国内科医生理查德·洛尔(Richard Lower)——他把约翰·洛克(John Locke)算在他的同事中，把国王查理二世(King Charles II)算在他的病人中——在他开创性的著作《心脏肌肉束》(Tractatus de Corde)中首次注意到心肌的螺旋状排列。

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作用仍然难以研究，令人沮丧。

1969年，阿拉巴马大学伯明翰医学院(University of Alabama Birmingham Medical School)生物数学系前系主任爱德华·萨林(Edward Sallin)认为，心脏的螺旋排列对实现大的射血分数(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，在那里我们可以测试萨林的假设，并研究心脏螺旋结构的相对重要性，”约翰·齐默尔曼(John Zimmerman)说，他是SEAS的博士后研究员，也是这篇论文的第一作者之一。

为了验证Sallin的理论，SEAS的研究人员使用了FRJS系统来控制纤维的排列，他们可以在纤维上生长心肌细胞。

FRJS的第一步工作原理就像棉花糖机——将液体聚合物溶液装入储液器，随着设备旋转，通过离心力将其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，当光纤沉积在收集器上时，集中的气流控制光纤的方向。研究小组发现，通过倾斜和旋转收集器，水流中的纤维会在收集器旋转时对齐并缠绕在收集器周围，模仿心脏肌肉的螺旋结构。

通过改变集电极的角度，可以调整光纤的方向。

“人类心脏实际上有多层螺旋排列的肌肉，排列角度不同，”SEAS博士后研究员、该论文的第一作者之一Huibin Chang说。“通过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，3D打印会随着特征的变小而变慢，FRJS可以在单微米尺度上快速旋转纤维，或大约比一根人类头发小50倍。这对于从零开始打造心脏来说非常重要。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。按照这种分辨率，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，分别在心室中植入大鼠心肌细胞或人干细胞来源的心肌细胞。在大约一周的时间里，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。

心室的搏动模仿了人类心脏的扭曲运动。

研究人员比较了螺旋排列的纤维和周向排列的纤维制成的心室的变形、电信号的速度和射血分数。他们发现，在每一个方面，螺旋排列的组织都优于圆周排列的组织。

parker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，以及疾病是如何在病理上损害这些关系的。在这种情况下，我们回到了一个从未经过测试的观察，关于心脏层流结构的螺旋结构。幸运的是，Sallin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，并解决这个数百年来的问题。”

该团队还证明，这一过程可以放大到真正的人类心脏的大小，甚至更大，到小须鲸心脏的大小(他们没有在更大的模型上植入细胞，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。

哈佛大学技术发展办公室已保护与该项目有关的知识产权，并正在探索商业化机会。

Huibin Chang, Qihan Liu, John F. Zimmerman, Keel Yong Lee, Qianru Jin, Michael M. peters, Michael Rosnach, Suji Choi, Sean L. Kim, Herdeline Ann M. Ardoña, Luke A. MacQueen, Christophe O. Chantre, Sarah E. Motta, Elizabeth M. Cordoves, Kevin Kit parker. Recreating the heart’s helical structure-function relationship with focused rotary jet spinning. Science, 2022; 377 (6602): 180