四维生理适应性心脏补片

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四维生理适应性心脏补片

生物工程师在治疗心肌梗死方面取得了相当先进的心脏支架工程技术。心肌梗死是一种心血管疾病,是全世界发病和死亡的主要原因。然而,用传统的生物工程方法复制心脏组织的结构特异性和变异性仍然具有挑战性。在一份关于科学进展的新报告中,美国马里兰大学国立卫生研究院和乔治华盛顿大学的崔海涛和一个跨学科研究团队开发了一种具有生理适应性的四维(4-D)心脏补片。他们使用束扫描立体平版印刷术来打印这个结构,并结合4-D自变形和可扩展的微结构来提高它们的生物力学性能,以整合到跳动的心脏中。结果表明,在生理相关的机械刺激下,心肌细胞的血管化和成熟程度得到改善。该结构适合用于小鼠慢性心肌梗死模型,改善了细胞移植和血管供应。本研究为心肌梗死的治疗提供了一种有效的策略,也为改善器官再生所需的复杂组织结构设计提供了一种前沿的生物工程方法。

生物工程人类心脏

心脏是一个动态的多细胞结合器官,具有高度特异性的结构和功能特征。成人心肌梗死后心肌缺乏自我修复和再生能力,因此传统的心脏补片可作为预防梗死后左心室重构的临时性机械支持系统。心脏工程领域正在形成功能心脏组织作为一个长期的,有前途的替代修复受损组织。该支架可以为细胞化斑块提供机械支持,恢复受损心肌的功能。天然来源的水凝胶基材料非常适合模拟组织微环境,支持细胞粘附和生长。它们为心肌细胞的生长和分化提供了良好的基质,但其结构设计和制造的局限性给临床应用带来了挑战。由于其在心脏工程中的应用前景广阔,大多数研究团队将人类诱导的多潜能干细胞来源的心肌细胞(hiPSC-CMs)作为细胞分化(生长和成熟)的连续来源。

Cui等利用束扫描立体光刻技术开发了一种具有特定生理适应性的智能设计的4-D水凝胶心脏补片,实现了许多特定的微模式和微架构。自变形过程实现构象相同的表面曲率的心脏。科学家们考虑了心脏组织的生理特征,创造了一个高度可伸缩的微结构,使用水凝胶可以轻松地从波形转变为网状结构——相对于心脏周期的舒张和收缩功能。然后,研究小组在工程心脏补片上进行心肌细胞、间充质基质细胞和内皮细胞的三次培养,以复制血管网络来支持和引导收缩细胞。

设计具有生理适应性的心脏补片

利用衍射张量成像(DTI),科学家们注意到左心室(LV)的螺旋状肌纤维网络排列成一个薄片结构,而计算机辅助设计(CAD)帮助他们将复杂纤维排列的解剖学细节转化为工程心脏组织。舒张和收缩功能是心脏组织特有的,由心肌收缩引起,以产生血液循环的力量。心脏体积的变化决定了纤维在特定区域的动态拉伸排列。因此,为了考虑心室曲率,cad派生的网格模式可以在二维平面上改变为六边形或波形模式。心肌纤维由纵束肌原纤维、心肌细胞和胶原鞘组成,周围环绕高密度毛细血管。这种各向异性的肌肉结构可以产生心室的协调机电活动,如兴奋波的收缩和传播。

为了整合可伸缩结构和心室曲率之间的关系,该团队使用一个简化的、具有平面曲线原型的立体几何模型对设计进行数学表征。研究人员之前已经使用光诱发的4-D变形和定制的光束扫描立体平版印刷来开发激光诱发的梯度内应力,作为神经工程中4-D动态变形的主要推动力。基于这些原理,Cui等开发的3d打印心脏补片可以通过选择合适的打印参数,从平面模式转变为四维曲线结构。

打印并优化心脏补片

科学家们使用一种由甲基丙烯酸明胶(GelMA)和聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)制成的可打印油墨来设计具有心肌纤维定向的各向异性心脏补片。GelMA是一种光固化生物材料,含有许多肽序列促进细胞附着和生长。印刷速度影响光固化性能和结构精度,从而产生4-D自变形。该团队确定了纤维排列的打印精度,并改变凝胶的重量比例,使凝胶的机械模量达到原生心肌的模量,而打印的图案代表原生心肌组织的微结构。

由于hiPSC-CMs具有恢复心脏功能的能力,研究小组在支架上培养了它们,3天后,附着的hiPSC-CMs表现出自发性收缩。7天后,hiPSC-CMs在印刷纤维上形成聚集体,用于电生理细胞耦合的同步收缩。在第7天,心肌细胞在心脏斑块上生长增加,钙瞬态增加到稳定状态,建立良好的功能收缩-放松生理行为。

功能成熟测试和体内植入

在生物力学刺激和功能成熟研究中,该团队进行了免疫染色,并确定了细胞材料构建中心脏相关基因的表达。第14天,他们注意到随着印刷斑块中iPSC-CMs的成熟,与兴奋-收缩耦合、肌comeric结构和血管生成(新血管的形成)相关的基因表达增加。该小组将心脏补片植入小鼠缺血-再灌注损伤模型,用于心血管研究中的临床急性或慢性心脏病模拟。

他们在植入心脏后的一个长期(4个月)研究中评估了心脏补片,强调了与经典心肌梗死模型相比,动物模型在短时间内恢复,炎症减少,存活率高。该团队进行了免疫荧光测定,显示血管细胞跨越心肌界面并在心肌补片内扩张,从而提供机械支持,有效防止左心室重构。4个月后,植入的补片显示出与小鼠心脏良好的连通性。科学家发现,与心肌梗死组植入的脱细胞补片相比,细胞化补片的细胞密度更高,梗死面积更小。

通过这种方式,崔海涛和他的同事开发了一种具有生理适应性的4d心脏补片,以再现心肌组织的结构和生物学特征。他们使用激光扫描打印技术来设计智能贴片,为细胞植入提供机械支持、可调的生理结构和基质。心肌补片在小鼠心肌梗死模型中显示了高水平的细胞移植和血管化。该团队打算将未来的研究扩展到与生理相关的大型动物模型,如猪或非人灵长类MI模型,以便在临床心脏工程治疗中获得更现实的结果。