研究人员在功能性人类心脏组织生物打印方面取得里程碑式成果

戈尔韦大学的研究人员宣称，他们在 3D 生物打印领域取得了重大进展，成功制造出了具有功能性的人类心脏组织。

他们的研究发表在了《先进功能材料》上，描述了生物打印水凝胶的开发情况。这种水凝胶模拟了心脏的机械、电气和生化环境，这是为再生应用和药物开发创造可行组织的关键阶段，也可被视作患者特异性心脏治疗发展的一大进步。

Longevity.Technology：心脏病依然是全球主要的死亡原因之一。由于供体心脏严重短缺，对替代解决方案的需求从未这般迫切。功能性心脏组织的创建有希望满足这一尚未得到满足的需求，既为心脏疾病的研究提供了一种推进途径，也为治疗选择提供了未来的来源。

该团队的方法侧重于使用基于挤出的生物打印技术，来创建旨在支持心脏细胞生长的结构化水凝胶[1]。

生物打印的组织呈现出同步收缩以及与长期细胞存活的相容性。这些发现表明，生物打印最终或许会带来针对心血管疾病的患者特异性疗法。

关注功能结果

这一突破不仅体现在能够复制心脏组织结构上，还体现在能确保其功能上。

传统的生物打印方式往往聚焦于复制器官（比如心脏）的最终形态，却未将胚胎发育期间出现的动态转变纳入考量。

为了对传统方法加以改进，来自戈尔韦的研究人员推出了一种创新的生物打印方法，此方法涵盖了这些基本的形状变化行为。

该研究的主要作者、戈尔韦大学 CÚRAM 博士候选人 Ankita Pramanick 表示：“我们的工作引入了一个全新的平台，通过嵌入式生物打印来实现对由细胞产生的力驱动的、可编程且可预测的 4D 形状变化组织的生物打印。

对生物打印的构建体的收缩行为、细胞活力和分子表达展开了评估；结果显示，组织构建体能够同步收缩，这是功能性心脏组织的一个标志，这种能力对于再生医学中的应用以及创建精准的模型来研究诸如心肌病之类的疾病极为关键。

该研究表明，细胞所产生的力能够驱动生物打印组织发生变形，这些形状变化的程度受诸如初始打印的几何形状以及生物墨水的硬度等因素影响[1]。变形已被证明在塑造细胞排列以及改善组织的收缩特性方面起着关键作用。此外，研究团队创建了一个能够预测组织变形行为的计算模型。

身为生物医学工程副教授、CÚRAM 资助的研究员以及该项目首席研究员的安德鲁·戴利教授说道：“我们的研究表明，通过让生物打印的心脏组织发生形状变形，其开始更有力、更快地跳动。生物打印组织的有限成熟度一直是该领域的一个重大挑战，所以这对我们来说是一个令人兴奋的结果。这使我们能够在实验室环境中创建更先进的生物打印心脏组织，更好地复制成人人类心脏结构。我们很高兴在我们正在进行的欧洲研究理事会项目中基于这种形状变形方法继续发展，该项目侧重于受发育启发的生物打印[2]。”

生物打印组织的一个直接应用在于其在药物筛选方面的潜在用途。目前用于测试心脏药物的模型通常依赖于动物组织，这些组织无法完全复制人类心脏的生物学特性；生产人体组织构建体的这种能力提供了一个更为准确且合乎伦理的替代方案，使制药公司能够更精确地测试治疗的安全性和有效性。

从长远来看，该技术可能有助于解决器官短缺危机。虽然完整器官的生物打印仍然是一个遥远的目标，但像这样制造功能性组织方面的进步是一个重要的先导。研究人员强调，在推进过程中，可扩展性和可重复性将是关键挑战——特别是在将该技术应用于临床时。

临床转化的挑战

尽管成果令人充满希望，但在生物打印的心脏组织能够用于治疗之前，仍有重大障碍需要克服。确保生物打印构建体与原生组织相融合、扩大生产规模以满足临床方面的需求以及解决监管障碍都需要进一步的研究和开发。

“我们离生物打印出能够植入人体的功能性组织还有很长的一段路要走，未来的工作需要探索如何将我们的生物打印方法扩展到人类心脏的规模，”戴利说。

“我们得整合血管，好让这么大的构建体在实验室里存活下来，但最终，这一突破使我们更接近生成功能性生物打印器官，这将在心血管医学中具有广泛的应用[2]。”

心脏病学以外的影响

除了开发新的生物打印平台外，该团队还能够使用模拟组织内纤维如何重新排列的模型在细胞和组织水平上模拟形状变化行为[1]。这种在生物打印组织中进行 4D 形状变形的设计、预测和编程的能力，有可能改变器官工程的现状。这种方法不是仅仅专注于重现器官的最终形状，而是强调模仿指导其形式、结构和功能的自然发育过程。这种转变为器官生物打印开辟了令人兴奋的新可能性。

虽说这项研究重点放在心脏组织上，不过所研发的技术在再生医学领域有着更为宽泛的影响。

类似的办法能够用于给其他器官打造功能性组织，为从肝功能衰竭到糖尿病之类疾病的治疗进步敞开大门。

这项工作具有跨学科的性质，把前沿材料和生物科学结合起来，凸显了 3D 生物打印作为医学变革性技术的潜力。