在制造适合人类的人工心脏方面取得重大进展
心脏病——美国的主要死亡原因——之所以如此致命,部分原因是心脏与其他器官不同,受伤后无法自我修复。这就是为什么组织工程,最终包括整个人体心脏移植的批发制造,对于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。这包括重建螺旋几何形状,当心脏跳动时会产生扭曲运动。长期以来,人们一直认为这种扭转运动对于大量泵血至关重要,但要证明这一点很困难,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,来自哈佛约翰 A. 保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 的生物工程师开发了第一个人类心室与螺旋排列的跳动心肌细胞的生物混合模型,并表明肌肉排列确实可以显着增加心室可以在每次收缩时泵出血液。
这一进步是通过一种新的增材纺织制造方法——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。FRJS 纤维由 Kit Parker 病生物物理学组在 SEAS 开发,指导细胞排列,允许形成受控的组织工程结构。
该研究发表在《科学》杂志上。
“这项工作是器官生物制造向前迈出的重要一步,让我们更接近我们为移植建立人类心脏的最终目标,”SEAS 生物工程和应用物理学的塔尔家族教授、该论文的高级作者帕克说。
这项工作的根源在于一个世纪之久的谜团。1669 年,英国医生理查德·洛尔(Richard Lower)——他的同事中包括约翰·洛克(John Locke)和患者中的国王查尔斯二世(King Charles II)——在他的开创性著作Tractatus de Corde中首次注意到心肌呈螺旋状排列。
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用途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,心脏的螺旋排列对于实现大的射血分数至关重要——每次收缩时心室泵出多少血液的百分比。
“我们的目标是建立一个模型,我们可以在其中检验 Sallin 的假设并研究心脏螺旋结构的相对重要性,”SEAS 的博士后研究员、该论文的共同第一作者 John Zimmerman 说。
为了检验 Sallin 的理论,SEAS 研究人员使用 FRJS 系统来控制纺丝纤维的排列,使它们可以在其上生长心肌细胞。
FRJS 的第一步就像一台棉花糖机——将液态聚合物溶液装入储液罐中,并在设备旋转时通过离心力从一个微小的开口中推出。当溶液离开储存器时,溶剂蒸发,聚合物固化形成纤维。然后,当纤维沉积在收集器上时,聚焦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,流中的纤维会在收集器旋转时对齐并扭曲,模仿心肌的螺旋结构。