研究人员发现一种搏动的生物印迹心脏泵

通过发明新的生物墨水，明尼苏达大学（UMN）的研究人员能够用真实的人类细胞对功能正常的厘米级心脏泵进行生物打印。

定制的基于细胞外基质（ECM）的材料使干细胞能够在分化之前进行增殖，从而使研究小组能够制造出跳动的肌肉泵，其壁厚和细胞密度都类似于天然心脏组织。

这些发现可能对广泛的心脏疾病的体外心脏病学测定，疾病模型，医疗设备测试以及再生医学研究产生深远的影响。

许多科学家已尝试3D打印源自人类多能干细胞（hiPSC）的心肌细胞，以在体外产生心脏组织。

但是，模仿天然心肌细胞的细胞密度以及功能所需的机械性能仍然是最终的挑战。为了克服这一障碍并获得厚厚的连续肌肉层，作者发明了一种定制的生物墨水配方，该配方允许细胞在分化时彼此形成牢固的连接。

该成果研究，发表在美国心脏协会的循环研究该杂志显示，收缩的人房肌泵（hChaMP）能够跳动至少六周，能够模仿天然心脏的房室和大血管导管，同时容纳有活力的，密集包装的功能性心肌细胞。

UMN科学与工程学院的研究首席研究员兼生物医学工程系主任BrendaOgle说：“起初，我们尝试了3D打印心肌细胞，但我们也失败了。”因而，我们决定运用干细胞美容科学研究和三维打印层面的专业技能，试着新的方式。我们优化了用细胞外基质蛋白制成的特殊油墨，将油墨与人体干细胞结合，并采用油墨和细胞三维打印室结构。干细胞首先在结构中扩增为高细胞密度，然后我们将它们分化为心肌细胞。”

经过多年的研究，当两位生物医学工程博士生MollyKupfer和LinWei-Han建议首先打印干细胞时，Ogle和她的团队准备放弃。Ogle决定最后尝试一下：“当我们在实验室里观察盘子时，看到整个东西自发地同步地收缩并能够移动流体，我简直不敢相信。”研究小组发现，他们第一次可以在不到一个月的时间内实现高细胞密度的目标，从而使细胞像人的心脏一样跳动。

Ogle还观察到这是心脏研究的关键进展，因为这项新研究显示了他们如何能够3D打印心肌细胞，使它们能够组织和协同工作。

由于这些细胞彼此紧邻地分化，因此该过程更接近干细胞在体内的生长方式，然后经历分化成为心肌细胞的过程。与过去的其他引人注目的研究相比，Ogle相信这一发现创造了一种结构，就像一个封闭的囊，带有一个流体入口和一个流体出口，研究人员可以在其中测量心脏如何在体内移动血液，从而使其成为无价的工具。研究心脏功能。

“我们现在有了一个模型来跟踪和追踪泵结构中开始近似人类心脏的细胞和分子水平的变化。我们可以将疾病和损害引入模型，然后研究药物和其他疗法的效果。”Ogle继续说道。“所有这些似乎都是一个简单的概念，但是如何实现这一点却非常复杂。我们看到了这种潜力，并认为我们的新发现可能会对心脏研究产生变革性的影响。”

为了生产出最终的充满细胞的生物墨水，研究人员将甲基丙烯酸明胶（GelMA）与对支持心肌细胞分化至关重要的hiPSC和ECM蛋白混合在一起。根据研究，可以从针头挤出优化的配方，但其低粘度使其难以与标准挤出方法一起使用。

取而代之的是，使用Cellink的Inkrediblebioprinter进行3D打印，并使用自由形式的悬浮水凝胶可逆嵌入（FRESH）方法，这得益于明胶支持浴，有助于保持打印结构的结构。

由生物医学工程师AdamFeinberg（卡内基梅隆大学教授）领导的一组研究人员开发的FRESH技术使用水凝胶作为临时的热可逆载体，可以在印刷后将其洗掉。事实证明，该技术成功克服了与现有生物打印技术相关的许多挑战，并且能够使用柔软的活体材料实现前所未有的分辨率和保真度。

1.5厘米长的3D打印肌肉模型经过专门设计以适合老鼠的腹腔进行进一步研究，具有两个腔室以及一个血管入口和出口。在hiPSC增殖至足够的密度后，研究人员分化了结构内的细胞，并证明了产生的击败hChaMP的功能。

hChaMP的最终细胞密度与天然组织的密度接近，因此被UMN视为在可灌注的腔室式心脏泵中实现强大的机电功能的第一项研究，与其他方法相比，它们至少能够维持三周以上的功能相似的模型。

在体外复制具有几何形状的复杂心脏结构，有可能在一天之内取代动物模型，并推动心脏组织工程领域的发展，并最终进入心脏病患者的临床治疗，该疾病导致1790万例死亡每年全球。

研究人员新颖的生物墨水和原位分化方法是关键发现，使hChaMP可以像心跳泵一样同步跳动，建立压力并移动液体，从而维持复杂的心肌几何形状。在过去的十年中，许多项目一直专注于重建人类心脏结构和功能的技术，但是仍然存在许多挑战。

这份新报告涵盖了朝着人类心脏的宏观腔室模型迈出的实质性一步，尽管该团队已经开始进行新的研究以改进它，但这项成就为将来的模型奠定了坚实的基础，这些模型可以用作各种模型的试验平台。药物和设备，以及心脏病模型。