反向工程心脏：多伦多大学工程团队创造出生物人工左心室

　　

   

   

图:这个心脏心室模型是由真实的心脏细胞制成的，它的跳动非常强烈，足以将液体泵入一个管子中。它可以用于研究心脏病和测试潜在的治疗方法，而不需要进行侵入性手术。    

图片来源:Sargol Okhovatian

多伦多大学工程研究人员已经在实验室中培育了一个小型的人类左心室模型。这种人工组织结构由活的心脏细胞制成，其跳动强度足以在生物反应器中泵出液体。

在人类心脏中，左心室负责将新鲜的含氧血液泵入主动脉，然后再从主动脉泵入身体的其他部位。这种新的实验室培养模型可以为研究人员提供一种研究各种心脏病和疾病的新方法，并测试潜在的治疗方法。

Sargol Okhovatian说:“通过我们的模型，我们可以测量喷射量——每次心室收缩时喷出多少液体——以及液体的压力。”“这两种功能都是以前的机型几乎不可能做到的。”

Okhovatian和Mohammad Hossein Mohammadi是《高级生物学》上一篇新论文的共同主要作者，该论文描述了他们设计的模型。他们的多学科团队由该论文的资深作者米利卡·拉迪奇教授领导。

这三位研究人员都是流体技术研究和应用中心(CRAFT)的成员。CRAFT是加拿大国家研究委员会和多伦多大学之间独特的合作伙伴关系，拥有世界领先的专家，他们设计、制造和测试微型设备，以控制微米级流体流动，这一领域被称为微流体。

Radisic说:“我们在CRAFT拥有的独特设施使我们能够创造出像这样复杂的芯片上的器官模型。”

“有了这些模型，我们不仅可以研究细胞功能，还可以研究组织功能和器官功能，所有这些都不需要侵入性手术或动物实验。我们还可以用它们来筛选大量候选药物分子的积极或消极影响。”

组织工程师面临的许多挑战与几何有关:虽然在二维空间中培养人体细胞很容易——例如，在一个扁平的培养皿中——但结果与在人体中出现的真正组织或器官并不太像。

为了进入三维空间，Radisic和她的团队使用了由生物相容聚合物制成的微型支架。这种支架通常带有沟槽或网状结构，植入心肌细胞后，在液体培养基中生长。

随着时间的推移，活细胞生长在一起，形成组织。支架的底层形状或模式促使生长细胞向特定方向排列或伸展。电脉冲甚至可以用来控制心跳的速度，就像一个心脏组织的训练馆。

对于生物人工左心室，Okhovatian和Mohammadi创造了一个形状像三个网格状面板的平板的支架。在支架上植入细胞并让它们生长大约一周后，研究人员将薄膜包裹在一个空心聚合物轴上，他们称之为芯轴。

其结果是:一个由三层重叠的心脏细胞组成的管子，它们共同跳动，并在最后将液体从小孔中泵出。这根管子的内径为0.5毫米，高度约为1毫米，与怀孕19周的人类胎儿的脑室大小相当。

拉迪奇说:“到目前为止，只有少数几次尝试创建真正的心室3D模型，而不是平面的心脏组织。”

“几乎所有这些都是由单层细胞构成的。但真正的心脏有很多层，每一层的细胞以不同的角度排列。当心脏跳动时，这些层不仅会收缩，还会扭曲，有点像你拧毛巾把水拧出来。这使得心脏能够比其他情况下泵出更多的血液。”

该团队能够复制这种扭曲的排列方式，通过在他们的三个面板上分别使用不同角度的凹槽。

在与大学健康网络的李仁科教授的实验室合作中，他们使用导电导管测量了射血容量和压力，这与在活着的患者中评估这些参数的工具相同。

目前，该模型只能产生真正心脏所能产生的射血压力的一小部分——不到5%，但Okhovatian说，考虑到该模型的规模，这是意料之中的。

“我们的模型有三层，但真正的心脏有十一层，”她说。

“我们可以添加更多的层，但这会让氧气难以扩散，所以中间层的细胞开始死亡。真正的心脏有血管系统来解决这个问题，所以我们需要找到一种方法来复制它。”

Okhovatian说，除了血管问题，未来的工作将集中在增加细胞密度，以增加射出量和压力。她还想找到一种缩小或者最终移除支架的方法，而真正的心脏是不会有这种支架的。

虽然概念验证模型代表着重大进展，但在实现完全功能的人造器官之前，还有很长的路要走。

“我们必须记住，我们花了数百万年的时间才进化出像人类心脏一样复杂的结构，”拉迪奇说。

“我们不可能在短短几年内就完成整个过程的逆向工程，但随着每一次增量改进，这些模型对世界各地的研究人员和临床医生都变得更有用。”

“每个组织工程师的梦想都是培养出完全准备好移植到人体的器官，”奥霍瓦提安说。

“我们距离实现这一目标还有很多年，但我觉得这种生物人工心室是一个重要的垫脚石。”