西安交大李滌塵/賀健康團隊 《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)，心肌細胞的高度有序排列對心臟正常功能至關(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)。如細胞構(gòu)建體存在細胞排列不一致、擴展性和互連性有限等問題；基于微納拓撲特征的支架多局限于二維平面排列，無法重現(xiàn)動態(tài)三維細胞外基質(zhì)微環(huán)境；水凝膠雖能支持細胞生長和排列，但存在機械穩(wěn)定性差、操作復(fù)雜等問題；現(xiàn)有電液動力打�。‥HD）支架細胞間互連性不足，影響細胞播種密度和電信號耦合。  

為解決這些痛點，西安交通大學(xué)的李滌塵/賀健康教授團隊開發(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，能滿足心肌細胞高密度排列和電信號傳播的結(jié)構(gòu)連接需求。團隊通過實驗研究和有限元分析，揭示了細胞 - 纖維蛋白水凝膠相互作用驅(qū)動組織束形成的微觀進化過程。利用該系統(tǒng)，成功從新生大鼠心肌細胞生成心臟組織，提升了電生理性能，并通過多次播種策略提高了細胞播種密度，促進了多細胞、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)計與制備
通過電液動力（EHD）打印技術(shù)，研究了InterPore微纖維晶格的設(shè)計與制備過程，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，其獨特的交錯“V形”橫向纖維結(jié)構(gòu)增強了孔隙互連性和機械穩(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)細胞排列作用
運用Micro-CT分析、掃描電子顯微鏡（SEM）成像和力學(xué)測試等方法，研究InterPore微纖維晶格的結(jié)構(gòu)、機械性能及引導(dǎo)細胞排列的能力，結(jié)果顯示該晶格具有明確的結(jié)構(gòu)、足夠的機械強度，能有效引導(dǎo)細胞自組裝成排列緊密的細胞束。

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

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

圖3. InterPore微纖維晶格內(nèi)排列緊密組織的表征。  

4. 纖維蛋白重塑與細胞介導(dǎo)的排列過程
借助對不同時間點C2C12細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)細胞能使纖維蛋白從隨機排列逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨扔行蚺帕小?

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

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微纖維晶格對心臟組織發(fā)育的促進能力，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)增強細胞負載和多細胞組織形成
利用多次播種實驗和有限元模擬，研究多次播種循環(huán)對InterPore微纖維晶格細胞負載和多細胞組織形成的影響，結(jié)果顯示多次播種可提高細胞密度且維持高細胞活力，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)促進細胞負載增強和多細胞組織工程。

7. 從hiPSC-CMs構(gòu)建功能性人類心臟組織
采用細胞培養(yǎng)、鈣成像、基因表達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hiPSC-CMs功能成熟，構(gòu)建的組織對藥物有響應(yīng)，可用于藥物測試。

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)域的一項重大進展。該平臺將精確的結(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的電生理和機械性能。晶格的縱向互連孔隙不僅有助于高密度細胞組織和強大的互連性，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胞排列、同步收縮和長期組織存活的關(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展，但仍面臨挑戰(zhàn)。在細胞方面，hiPSC-CMs在微纖維晶格內(nèi)的長期穩(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，促進細胞的長期存活與功能維持。還能探索多種細胞共培養(yǎng)體系，構(gòu)建更復(fù)雜、功能更完善的心臟組織模型。此外，加強體內(nèi)研究，驗證工程化心臟組織在動物模型中的治療效果，將為心臟疾病的治療帶來新的希望，推動心臟組織工程從實驗室走向臨床應(yīng)用。

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