外媒:人工心脏研究取得重要进展

据美国《科学日报》网站7月8日报道，美国哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的生物工程师们开发出了首个人类心室的生物杂交模型，该模型具有呈螺旋状排列的跳动的心肌细胞。他们还证明了特定的肌肉排列确实可以显著增加心室每次收缩时的泵血容量。

这一进展是由生物工程师使用一种新的添加纺织品制造方法——聚焦旋转喷射纺纱(FRJS)——实现的。该方法可以高产量地制造直径从几百纳米到几微米的螺旋排列的纤维。FRJS是由SEAS大学生物工程和应用物理学教授Kit Parker领导的疾病生物物理学小组开发的。

研究论文发表在美国《科学》周刊上。

论文高级作者帕克说，“这项研究是器官生物制造领域向前迈出的重要一步。它让我们离制造用于移植的人类心脏的最终目标更近了一步。”

这项研究源于一个古老的秘密。1669年，英国医生理查德洛尔(Richard Lore)在其开创性工作《心脏学论》中首次指出，心肌呈螺旋状排列。

在接下来的三个世纪里，医生和科学家对心脏的结构有了更全面的了解，但令人沮丧的是，仍然很难研究这些螺旋排列的肌肉的功能。

1969年，美国阿拉巴马大学伯明翰医学院生物医学系的Edward Sarin认为，心肌的螺旋排列对高射血分数至关重要。射血分数是指心室每次收缩时泵出的血液的百分比。

约翰齐默尔曼是SEAS的博士后研究员，也是论文的第一作者，他说，“我们的目标是建立一个模型，我们可以用它来测试沙林的假设，并研究心肌螺旋结构的相对重要性。”

SEAS的研究人员使用FRJS系统来控制纺成纤维的排列，他们可以在这些纤维上培养心肌细胞。

FRJS第一步的原理和棉花糖机3354差不多。将液态聚合物溶液装入储液槽中，在设备旋转时，溶液被离心力从微小的开口中甩出。当溶液离开储罐时，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，集中的气流将控制纤维的方向。研究小组发现，通过倾斜和旋转收集器，纤维会围绕收集器排列和弯曲，从而模仿心肌的螺旋结构。纤维的排列可以通过改变收集器的角度来调整。

FRJS可以快速纺出单根微米纤维——，其直径不到一根头发丝的1/50。这对于从零开始制作心脏来说很重要。比如胶原蛋白直径只有1微米。在这种分辨率水平下，3D打印人类心脏中的所有胶原蛋白需要100多年。而FRJS可以在一天内完成。

之后，研究小组通过FRJS方法制作的心室将被植入大鼠心肌细胞或人类干细胞来源的心肌细胞。大约一周的时间，支架上覆盖着几层薄薄的跳动组织，细胞按照下面纤维的排列方式排列。

这些跳动的心室模拟了人类心脏的扭曲运动。

研究人员比较了螺旋排列纤维和圆周排列纤维制成的心室的变形、电信号传输速度和射血分数。他们发现前者在各方面都优于后者。

研究小组还证明，这一过程的规模可以扩展到真正人类心脏的大小，甚至更大，达到小须鲸心脏的大小。