人造心臟新突破!《Science》全球首創重建螺旋結構心肌組織

日期2022-07-15
利用 FRJS技術製成的螺旋結構雙腔心室 (圖片來源:Disease Biophysics Group/Harvard SEAS)
近日,哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)發表,全球首創利用創新的高通量紡織製造方法─聚焦旋轉噴射紡絲(focused rotary jet spinning, FRJS),將心肌細胞螺旋排列構成人類心臟的心室,並證實螺旋排列方式可以顯著增加心室收縮時泵出的血液量。該研究發表於《Science》。
 
這項研究起源於一個世紀之久的謎團,1669年,英國醫師Richard Lowe和John Locke首次注意到心肌呈螺旋狀排列,但歷經了3世紀仍不清楚螺旋狀排列對於心臟具有什麼意義,直到1969年,阿拉巴馬大學伯明翰醫學院(UAB)生物數學(biomathematics)教授Edward Sallin認為,心肌螺旋狀排列對於增加心室每次收縮時泵血量─射血分數(ejection fraction, EF)息息相關。
 
SEAS的博士後研究員John Zimmerman表示,為驗證Sallin的理論,我們使用FRJS系統來控制纖維的排列成螺旋狀,再讓心肌細胞在纖維上生長。
 
研究人員指出,FRJS的運作過程就如同一台棉花糖機,將液態聚合物溶液裝入儲液罐中,並在設備旋轉時透過離心力從一個微小的開口中推出,當溶液離開儲液罐的瞬間溶劑蒸發,聚合物便固化形成纖維。
 
接著,當纖維沉積在收集器上時,便會透過聚焦氣流控制纖維的方向。研究人員發現,傾斜和旋轉收集器時,纖維會在收集器上隨之旋轉對齊並扭曲成如同心肌的螺旋結構。
 
研究人員指出,人類的心臟實際上是肌肉以不同角度多層螺旋排列而組成,利用FRJS我們可以非常精確地重建人體心臟的複雜結構,形成單個甚至4個腔室構造。
 
FRJS與3D列印不同,3D列印會因打印的東西很細小而速度變慢,但是FRJS可以快速紡織製造出微米級、比一根頭髮小50倍的纖維,研究人員表示,當要從頭開始建構一顆心臟時,這就是關鍵之一,以心臟中的細胞外基質膠原蛋白為例,其直徑也只有1微米,若用3D列印心臟中的每一個膠原蛋白需要100多年的時間,但是FRJS可以在一天內完成。
 
利用FRJS完成心臟的支架後,在接種上大鼠的心肌細胞或人類幹細胞衍生的心肌細胞,約培養一周後,就會在支架上覆蓋幾層薄薄的跳動心臟組織,而螺旋的排列方式讓建構出的心室可以模仿人類心臟收縮時扭曲的跳動模式。
 
研究人員也進一步比較螺旋排列形式製成的心室,與圓周整齊依序排列製成的心室,在心室跳動時的變形、電訊號傳導速度和射血分數上,螺旋排列都優於整齊排列製成的組織。
 
研究人員也已證明FRJS的製造方式可以放大到人類實際的心臟大小,甚至更大,到小鬚鯨的心臟大小,不過目前尚未證實是否實際可行,因為需要數十億個心肌細胞才能組成更大的心臟模型。
 
而除了將FRJS應用於生物上,該研究團隊也正在研發應用於食品包裝上,並正在朝商業化的方向邁進。
 
參考資料:https://www.seas.harvard.edu/news/2022/07/major-step-forward-organ-biofabrication
論文: DOI:10.1126/science.abl6395
 
(編譯/李林璦)