新型微型心脏

一个由工程师、生物学家和遗传学家组成的团队开发了一种研究心脏的新方法：他们用纳米工程部件和人类心脏组织的组合构建了一个微型心脏室复制品。

现在，一个由工程师、生物学家和遗传学家组成的跨学科团队开发了一种研究心脏的新方法:他们将纳米工程部件和人类心脏组织结合起来，建造了一个心脏腔的微型复制品。它没有弹簧或外部电源——就像真正的心脏一样，它只是由干细胞生长的活心脏组织驱动自己跳动。设备可以让研究人员更准确的器官是如何工作的,让他们跟踪心脏生长在胚胎,研究疾病的影响,并测试新的治疗方法的潜在有效性和副作用——所有在零风险患者和不离开实验室。

由波士顿大学领导的团队研发了这个绰号为“迷你泵”的小装置，其官方名称为心脏小型化的“精确单向微流体泵”。他们表示，这项技术还可以为建立从肺到肾等其他器官的实验室版本铺平道路。他们的发现发表在《科学进展》杂志上。

“我们可以用一种以前不可能的方式来研究疾病的发展，”波士顿大学工程学院教授、机械工程系主任爱丽丝·怀特(Alice White)说。“我们选择研究心脏组织，是因为它的机制特别复杂，但我们表明，当你把纳米技术与组织工程结合起来，就有可能在多个器官上复制这种技术。”

据研究人员称，该设备最终可以加快药物开发过程，使其更快、更便宜。研究人员可以在一开始就使用微型泵来更好地预测成功或失败，而不是花费数百万美元——甚至可能是数十年——将一种药物通过开发管道，然后眼看着它在人体测试中遭遇最后的障碍。

该项目是CELL-MET的一部分，CELL-MET是一个由BU领导的多机构的国家科学基金会细胞超材料工程研究中心。该中心的目标是再生患病的人类心脏组织，建立一个由科学家和行业专家组成的社区，以测试新药，并为因心脏病发作或疾病而受损的心脏制造人工植入贴片。

怀特说:“在美国，心脏病是头号死亡原因，影响着我们所有人。今天，心脏病没有治愈方法。CELL-MET的愿景就是要改变这一点。”

个性化医疗

你的心脏会出很多问题。当它在四个圆柱体上正常工作时，心脏的两个顶部和两个底部腔室保持血液流动，这样富含氧气的血液循环并为你的身体提供养分。但当疾病袭来时，从心脏输送血液的动脉会变窄或堵塞，瓣膜会泄漏或失灵，心肌会变薄或变厚，电信号会缩短，从而导致心跳过多或过少。如果不加以控制，心脏病会导致不适——比如呼吸困难、疲劳、肿胀和胸痛——对许多人来说，甚至会导致死亡。

波士顿大学William F. Warren生物医学工程杰出教授Christopher Chen说:“当心脏将血液泵入我们的身体时，它经历了复杂的力量。虽然我们知道心肌在受到异常力量时——例如，由于高血压或瓣膜疾病——会变得更糟，但很难模拟和研究这些疾病的过程。这就是为什么我们想要建造一个微型心脏腔。”

这个微型泵只有3平方厘米，比一张邮票大不了多少。它的功能类似于人类心室——或肌肉的下心室——它的定制组件被安装在一块3d打印的薄塑料上。有微型的丙烯酸阀门，可以打开和关闭来控制液体的流动——在这里是水，而不是血液——还有小管子，像动脉和静脉一样把液体汇集起来。在一个角落里跳动着，使心脏组织收缩的肌肉细胞，心肌细胞，是用干细胞技术制造的。

“它们是用诱导多能干细胞产生的，”博士后研究员Christos Michas说，他设计并领导了微型泵的开发，这是他博士论文的一部分。

为了制造心肌细胞，研究人员从成年人身上提取一个细胞——它可以是皮肤细胞、血细胞或任何其他细胞——将其重新编码为类胚胎干细胞，然后将其转化为心脏细胞。Michas说，除了赋予该设备真正的心脏功能外，心肌细胞还为该系统提供了巨大的潜力，帮助开创个性化药物。例如，研究人员可以在设备中放置病变组织，然后在该组织上测试药物，观察其泵血能力如何受到影响。

“有了这个系统，如果我从你身上取下细胞，我可以看到药物在你体内的反应，因为这些是你的细胞，”Michas说。“这个系统可以更好地复制心脏的一些功能，但同时，它也可以灵活地复制不同的人。这是一个更具有预测性的模型，可以观察在人类身上会发生什么，而不需要真正进入人类体内。”

根据Michas的说法，这可以让科学家在进入临床试验之前很久就能评估一种新的心脏病药物的成功几率。许多候选药物失败是因为它们的副作用。

Michas说:“在一开始，当我们还在研究细胞时，我们可以引入这些设备，对临床试验中会发生什么有更准确的预测。”“这也意味着这些药物的副作用可能更少。”

比人的头发还细

微型泵的关键部件之一是一个丙烯酸支架，当心脏组织收缩时，它可以支撑并随心脏组织移动。这个脚手架由一系列超细的同心螺旋组成——比人的头发还细——由水平的环连接起来，看起来就像一个艺术活塞。它是这个谜题的关键部分，为心脏细胞提供了结构——没有它，心脏细胞将只是一个无形的斑点——但不会对它们施加任何积极的力量。

“我们不认为以前研究心脏组织的方法捕捉到的是人体肌肉的反应方式，”Chen说，他也是波士顿大学生物设计中心的主任，也是哈佛大学威斯生物启发工程研究所的副教授。“这让我们第一次有机会在机械上制造出与我们认为的心脏实际体验更相似的东西——这是一大进步。”

为了打印出每一个微小的部件，该团队使用了一种叫做双光子直接激光书写的工艺——一种更精确的3D打印。当光线射入液体树脂时，它接触的区域变成固体;因为光线可以精确地瞄准——聚焦到一个微小的点上——微型泵中的许多组件都是微米级的，比尘埃颗粒还小。

把这个泵造得这么小，而不是真人大小或更大，是经过深思熟虑的决定，这对它的功能至关重要。

怀特说:“结构元素如此精细，以至于通常坚硬的东西变得灵活了。打个比方，想想光纤:玻璃窗很硬，但你可以把一根玻璃光纤缠在手指上。丙烯酸可能非常坚硬，但在微型泵中，丙烯酸支架能够被跳动的心肌细胞压缩。”

Chen说，该泵的规模表明，“有了更好的打印结构，你可能能够创造出比我们之前想象的更复杂的细胞组织。”他说，目前，当研究人员试图创造细胞时，无论是心脏细胞还是肝脏细胞，它们都是无序的——“要获得结构，你必须交叉手指，希望这些细胞能创造出什么。”这意味着，在微型泵中开创的组织支架在心脏之外具有巨大的潜在意义，为从肾到肺等其他芯片器官奠定了基础。

这项进展除了让我们有机会研究人类心脏肌肉的疾病和病理学，这项工作还为制造心脏补丁铺平了道路，最终可能用于那些目前心脏有缺陷的人。

Christos Michas, M. Çağatay Karakan, Pranjal Nautiyal, Jonathan G. Seidman, Christine E. Seidman, Arvind Agarwal, Kamil Ekinci, Jeroen Eyckmans, Alice E. White, Christopher S. Chen. Engineering a living cardiac pump on a chip using high-precision fabrication. Science Advances, 2022; 8 (16)