研究人員在功能性人類心臟組織生物打印方面取得里程碑式成果

戈爾韋大學的研究人員宣稱，他們在 3D 生物打印領域取得了重大進展，成功製造出了具有功能性的人類心臟組織。

他們的研究發表在了《先進功能材料》上，描述了生物打印水凝膠的開發情況。這種水凝膠模擬了心臟的機械、電氣和生化環境，這是爲再生應用和藥物開發創造可行組織的關鍵階段，也可被視作患者特異性心臟治療發展的一大進步。

Longevity.Technology：心臟病依然是全球主要的死亡原因之一。由於供體心臟嚴重短缺，對替代解決方案的需求從未這般迫切。功能性心臟組織的創建有希望滿足這一尚未得到滿足的需求，既爲心臟疾病的研究提供了一種推進途徑，也爲治療選擇提供了未來的來源。

該團隊的方法側重於使用基於擠出的生物打印技術，來創建旨在支持心臟細胞生長的結構化水凝膠[1]。

生物打印的組織呈現出同步收縮以及與長期細胞存活的相容性。這些發現表明，生物打印最終或許會帶來針對心血管疾病的患者特異性療法。

關注功能結果

這一突破不僅體現在能夠複製心臟組織結構上，還體現在能確保其功能上。

傳統的生物打印方式往往聚焦於複製器官（比如心臟）的最終形態，卻未將胚胎髮育期間出現的動態轉變納入考量。

爲了對傳統方法加以改進，來自戈爾韋的研究人員推出了一種創新的生物打印方法，此方法涵蓋了這些基本的形狀變化行爲。

該研究的主要作者、戈爾韋大學 CÚRAM 博士候選人 Ankita Pramanick 表示：“我們的工作引入了一個全新的平臺，通過嵌入式生物打印來實現對由細胞產生的力驅動的、可編程且可預測的 4D 形狀變化組織的生物打印。

對生物打印的構建體的收縮行爲、細胞活力和分子表達展開了評估；結果顯示，組織構建體能夠同步收縮，這是功能性心臟組織的一個標誌，這種能力對於再生醫學中的應用以及創建精準的模型來研究諸如心肌病之類的疾病極爲關鍵。

該研究表明，細胞所產生的力能夠驅動生物打印組織發生變形，這些形狀變化的程度受諸如初始打印的幾何形狀以及生物墨水的硬度等因素影響[1]。變形已被證明在塑造細胞排列以及改善組織的收縮特性方面起着關鍵作用。此外，研究團隊創建了一個能夠預測組織變形行爲的計算模型。

身爲生物醫學工程副教授、CÚRAM 資助的研究員以及該項目首席研究員的安德魯·戴利教授說道：“我們的研究表明，通過讓生物打印的心臟組織發生形狀變形，其開始更有力、更快地跳動。生物打印組織的有限成熟度一直是該領域的一個重大挑戰，所以這對我們來說是一個令人興奮的結果。這使我們能夠在實驗室環境中創建更先進的生物打印心臟組織，更好地複製成人人類心臟結構。我們很高興在我們正在進行的歐洲研究理事會項目中基於這種形狀變形方法繼續發展，該項目側重於受發育啓發的生物打印[2]。”

生物打印組織的一個直接應用在於其在藥物篩選方面的潛在用途。目前用於測試心臟藥物的模型通常依賴於動物組織，這些組織無法完全複製人類心臟的生物學特性；生產人體組織構建體的這種能力提供了一個更爲準確且合乎倫理的替代方案，使製藥公司能夠更精確地測試治療的安全性和有效性。

從長遠來看，該技術可能有助於解決器官短缺危機。雖然完整器官的生物打印仍然是一個遙遠的目標，但像這樣製造功能性組織方面的進步是一個重要的先導。研究人員強調，在推進過程中，可擴展性和可重複性將是關鍵挑戰——特別是在將該技術應用於臨牀時。

臨牀轉化的挑戰

儘管成果令人充滿希望，但在生物打印的心臟組織能夠用於治療之前，仍有重大障礙需要克服。確保生物打印構建體與原生組織相融合、擴大生產規模以滿足臨牀方面的需求以及解決監管障礙都需要進一步的研究和開發。

“我們離生物打印出能夠植入人體的功能性組織還有很長的一段路要走，未來的工作需要探索如何將我們的生物打印方法擴展到人類心臟的規模，”戴利說。

“我們得整合血管，好讓這麼大的構建體在實驗室裡存活下來，但最終，這一突破使我們更接近生成功能性生物打印器官，這將在心血管醫學中具有廣泛的應用[2]。”

心臟病學以外的影響

除了開發新的生物打印平臺外，該團隊還能夠使用模擬組織內纖維如何重新排列的模型在細胞和組織水平上模擬形狀變化行爲[1]。這種在生物打印組織中進行 4D 形狀變形的設計、預測和編程的能力，有可能改變器官工程的現狀。這種方法不是僅僅專注於重現器官的最終形狀，而是強調模仿指導其形式、結構和功能的自然發育過程。這種轉變爲器官生物打印開闢了令人興奮的新可能性。

雖說這項研究重點放在心臟組織上，不過所研發的技術在再生醫學領域有着更爲寬泛的影響。

類似的辦法能夠用於給其他器官打造功能性組織，爲從肝功能衰竭到糖尿病之類疾病的治療進步敞開大門。

這項工作具有跨學科的性質，把前沿材料和生物科學結合起來，凸顯了 3D 生物打印作爲醫學變革性技術的潛力。