西安交大李滌塵/賀健康團(tuán)隊(duì) 《AM》：3D 打印黑科技，構(gòu)建高度有序密集心肌束

來源:ELF生物3D打印與生物制造

心血管系統(tǒng)依賴心肌的收縮功能維持血液循環(huán)，心肌細(xì)胞的高度有序排列對(duì)心臟正常功能至關(guān)重要。在心臟組織工程領(lǐng)域，模擬天然心肌的結(jié)構(gòu)和功能面臨諸多挑戰(zhàn)。如細(xì)胞構(gòu)建體存在細(xì)胞排列不一致、擴(kuò)展性和互連性有限等問題；基于微納拓?fù)涮卣鞯闹Ъ芏嗑窒抻诙�維平面排列，無法重現(xiàn)動(dòng)態(tài)三維細(xì)胞外基質(zhì)微環(huán)境；水凝膠雖能支持細(xì)胞生長(zhǎng)和排列，但存在機(jī)械穩(wěn)定性差、操作復(fù)雜等問題；現(xiàn)有電液動(dòng)力打�。‥HD）支架細(xì)胞間互連性不足，影響細(xì)胞播種密度和電信號(hào)耦合。  

為解決這些痛點(diǎn)，西安交通大學(xué)的李滌塵/賀健康教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了InterPore微纖維晶格。該晶格是一種新型各向異性EHD打印支架，具有縱向互連孔，能滿足心肌細(xì)胞高密度排列和電信號(hào)傳播的結(jié)構(gòu)連接需求。團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)研究和有限元分析，揭示了細(xì)胞 - 纖維蛋白水凝膠相互作用驅(qū)動(dòng)組織束形成的微觀進(jìn)化過程。利用該系統(tǒng)，成功從新生大鼠心肌細(xì)胞生成心臟組織，提升了電生理性能，并通過多次播種策略提高了細(xì)胞播種密度，促進(jìn)了多細(xì)胞、血管化心臟結(jié)構(gòu)的形成。相關(guān)工作以“Engineering Highly Aligned and Densely Populated Cardiac Muscle Bundles via Fibrin Remodeling in 3D-Printed Anisotropic Microfibrous Lattices”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。 西安交通大學(xué)賀健康教授為論文的通訊作者，西安交通大學(xué)毛茅研究員與韓康博士生為論文共同第一作者。

1. InterPore微纖維晶格的設(shè)計(jì)與制備
通過電液動(dòng)力（EHD）打印技術(shù)，研究了InterPore微纖維晶格的設(shè)計(jì)與制備過程，結(jié)果表明該技術(shù)能制造出具有高度有序且穩(wěn)健微觀結(jié)構(gòu)的晶格，其獨(dú)特的交錯(cuò)“V形”橫向纖維結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了孔隙互連性和機(jī)械穩(wěn)定性。

圖1. InterPore微纖維晶格生成排列緊密組織的示意圖。  

2. InterPore微纖維晶格的特性及引導(dǎo)細(xì)胞排列作用
運(yùn)用Micro-CT分析、掃描電子顯微鏡（SEM）成像和力學(xué)測(cè)試等方法，研究InterPore微纖維晶格的結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能及引導(dǎo)細(xì)胞排列的能力，結(jié)果顯示該晶格具有明確的結(jié)構(gòu)、足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能有效引導(dǎo)細(xì)胞自組裝成排列緊密的細(xì)胞束。

圖2. InterPore微纖維晶格的表征及其引導(dǎo)細(xì)胞排列的作用。  

3. InterPore微纖維晶格對(duì)組織形成的影響
采用細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和有限元模擬的方法，對(duì)比InterPore微纖維晶格與傳統(tǒng)晶格，研究其對(duì)組織形成的影響，結(jié)果表明InterPore微纖維晶格能促進(jìn)形成高度排列、緊密且縱向互連性增強(qiáng)的組織，維持高細(xì)胞密度和細(xì)胞活力。

圖3. InterPore微纖維晶格內(nèi)排列緊密組織的表征。  

4. 纖維蛋白重塑與細(xì)胞介導(dǎo)的排列過程
借助對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)C2C12細(xì)胞在熒光纖維蛋白中成像及二維網(wǎng)絡(luò)模型模擬，研究InterPore微纖維晶格內(nèi)細(xì)胞介導(dǎo)的天然纖維水凝膠各向異性重塑過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)胞能使纖維蛋白從隨機(jī)排列逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨扔行蚺帕小?

圖4. InterPore微纖維晶格內(nèi)細(xì)胞介導(dǎo)的天然纖維水凝膠各向異性重塑的微觀進(jìn)化過程。

5. InterPore微纖維晶格構(gòu)建新生大鼠心臟組織
通過將新生大鼠心肌細(xì)胞接種到纖維蛋白水凝膠并在不同晶格中培養(yǎng)，研究InterPore微纖維晶格對(duì)心臟組織發(fā)育的促進(jìn)能力，結(jié)果表明在該晶格中培養(yǎng)的心臟組織具有更成熟的結(jié)構(gòu)和電生理活性。

圖5. 工程化排列心臟組織的結(jié)構(gòu)表征和電生理功能。  

6. 多次播種循環(huán)增強(qiáng)細(xì)胞負(fù)載和多細(xì)胞組織形成
利用多次播種實(shí)驗(yàn)和有限元模擬，研究多次播種循環(huán)對(duì)InterPore微纖維晶格細(xì)胞負(fù)載和多細(xì)胞組織形成的影響，結(jié)果顯示多次播種可提高細(xì)胞密度且維持高細(xì)胞活力，還能構(gòu)建預(yù)血管化心臟組織。

圖6. InterPore微纖維晶格中多次播種循環(huán)促進(jìn)細(xì)胞負(fù)載增強(qiáng)和多細(xì)胞組織工程。

7. 從hiPSC-CMs構(gòu)建功能性人類心臟組織
采用細(xì)胞培養(yǎng)、鈣成像、基因表達(dá)分析和藥物處理等方法，研究在InterPore微纖維晶格中使用hiPSC-CMs構(gòu)建功能性人類心臟組織的過程，結(jié)果表明該晶格能促進(jìn)hiPSC-CMs功能成熟，構(gòu)建的組織對(duì)藥物有響應(yīng)，可用于藥物測(cè)試。

圖7. InterPore微纖維晶格中從hiPSC-CMs構(gòu)建的工程化排列人類心臟組織的表征。

研究結(jié)論
本研究開發(fā)了一種各向異性的3D打印微纖維晶格，這是心臟組織工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重大進(jìn)展。該平臺(tái)將精確的結(jié)構(gòu)控制與仿生纖維蛋白水凝膠重塑相結(jié)合，成功構(gòu)建出高度有序、密集的心肌束，這些心肌束具有增強(qiáng)的電生理和機(jī)械性能。晶格的縱向互連孔隙不僅有助于高密度細(xì)胞組織和強(qiáng)大的互連性，還支持血管化和功能性組織成熟等關(guān)鍵過程。這些研究結(jié)果證明了微纖維晶格作為一種可擴(kuò)展且有效的工具，在構(gòu)建生理相關(guān)心臟組織方面的多功能性。展望未來，該方法在疾病建模、藥物篩選和再生治療等應(yīng)用中具有巨大潛力，特別是在滿足高密度細(xì)胞排列、同步收縮和長(zhǎng)期組織存活的關(guān)鍵需求方面。

挑戰(zhàn)與展望
盡管本研究在心臟組織工程取得重要進(jìn)展，但仍面臨挑戰(zhàn)。在細(xì)胞方面，hiPSC-CMs在微纖維晶格內(nèi)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及與宿主組織的整合效果有待提升，目前僅初步實(shí)現(xiàn)功能成熟，離臨床應(yīng)用還有差距。從材料角度，雖然InterPore微纖維晶格性能良好，但在長(zhǎng)期復(fù)雜生理環(huán)境中的耐久性和適應(yīng)性還需深入研究。  

展望未來，可進(jìn)一步優(yōu)化微纖維晶格的結(jié)構(gòu)和成分，以更好地模擬天然心肌微環(huán)境，促進(jìn)細(xì)胞的長(zhǎng)期存活與功能維持。還能探索多種細(xì)胞共培養(yǎng)體系，構(gòu)建更復(fù)雜、功能更完善的心臟組織模型。此外，加強(qiáng)體內(nèi)研究，驗(yàn)證工程化心臟組織在動(dòng)物模型中的治療效果，將為心臟疾病的治療帶來新的希望，推動(dòng)心臟組織工程從實(shí)驗(yàn)室走向臨床應(yīng)用。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adma.202419380