美國(guó)杜克大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師發(fā)明了一種功能完善的人造心臟肌肉。它的大小足以用于修復(fù)心臟病患者的心臟損傷。這項(xiàng)成果使人類朝著修復(fù)人類壞死心臟肌肉的*目標(biāo)邁進(jìn)了一大步。該研究于2017年11月28日發(fā)表在《Nature Communication》期刊的在線版本上。

杜克大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程博士生Ilya Shadrin是該研究的*作者，他說：“目前，幾乎所有的治療方法都是以減輕心臟已經(jīng)出現(xiàn)的損傷為目的，但是沒有方法能夠替換缺失的心肌，因?yàn)橐坏┬募∷劳?，它將不再重生。我們可以利用在體外培養(yǎng)的組織來代替失去的心肌?！?/p>

與某些人類器官不同，在心臟病發(fā)作之后，心臟組織不能再生。死亡的心肌會(huì)被疤痕組織替換掉，而疤痕組織是無法傳輸電信號(hào)的，也無法收縮，而這兩個(gè)因素對(duì)于平順且有力的心臟跳動(dòng)是必需。而*終因此導(dǎo)致的疾病是心臟衰竭，全世界有1200萬患者受此影響。人類迫切需要新的療法來防止心衰及其帶來了嚴(yán)重并發(fā)癥。Shadrin和杜克大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)教授Nenad Bursac發(fā)明的這種療法就是其中之一。

當(dāng)前的臨床試驗(yàn)正在測(cè)試將干細(xì)胞注入到受損部位從而修復(fù)受損心肌的方法。干細(xì)胞來自于骨髓、血液或心臟自身。雖然這種方法似乎取得了某些積極的作用，但是它的機(jī)制仍然沒有被完全了解。注入的干細(xì)胞中只有不到1%存活下來并存在于心臟中，成為心肌細(xì)胞的就更少了。

而這種“心臟補(bǔ)丁”則可以移植到壞死心臟肌肉上，并且長(zhǎng)時(shí)間保持活性，為心臟的收縮提供更強(qiáng)的動(dòng)力，也為心臟電信號(hào)的流通提供更平順的途徑。這些“心臟補(bǔ)丁”還會(huì)分泌酶和生長(zhǎng)因子，可以使尚未壞死的組織得到修復(fù)。

然而，讓這種方法奏效的話，“心臟補(bǔ)丁”必須足夠大才能覆蓋受影響的組織。它還必須像先天的心臟組織一樣強(qiáng)壯，具有電活性，否則就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的心律失常。

這是*滿足這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的心臟補(bǔ)丁。Bursac說：“培養(yǎng)個(gè)體的心肌細(xì)胞是非常司空見慣的事，但是人們一直關(guān)注于用于藥物開發(fā)的小型組織。培養(yǎng)如此大體積的組織是在過去沒有做過的事，這需要很多的工程智慧?！?/p>

培養(yǎng)心臟補(bǔ)丁的細(xì)胞來自于人類多能干細(xì)胞，這種干細(xì)胞可以分化成為身體中任何種類的細(xì)胞。Bursac和Shadrin成功地利用多種不同的人類干細(xì)胞系培養(yǎng)心臟補(bǔ)丁，包括胚胎干細(xì)胞，以及誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。

圖像來源：《Nature Communication》

這些干細(xì)胞可以培養(yǎng)出多種心臟細(xì)胞：心肌細(xì)胞，負(fù)責(zé)肌肉收縮；成纖維細(xì)胞，為心臟組織提供結(jié)構(gòu)框架；內(nèi)皮和平滑肌細(xì)胞，形成血管。研究人員將這些細(xì)胞以特定的比例放入膠狀物質(zhì)中，這些細(xì)胞就能夠自我組織并成長(zhǎng)成為具有功能的組織。

該團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了數(shù)年的時(shí)間，才找到了使組織長(zhǎng)大的正確的細(xì)胞組合、支撐結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)因子、營(yíng)養(yǎng)和培養(yǎng)條件。每個(gè)容器和步驟都要仔細(xì)考慮，從頭設(shè)計(jì)。而將這些細(xì)胞結(jié)合在一起的關(guān)鍵是要一點(diǎn)一點(diǎn)的“搖擺”。

Shadrin說：“輕輕地晃動(dòng)樣本，改善它們與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的接觸是極其重要的。相比于靜置的培養(yǎng)樣本，搖晃的樣本取得的結(jié)果好上三到五倍。”

這項(xiàng)研究對(duì)過去的心臟補(bǔ)丁進(jìn)行了改善。過去的補(bǔ)丁在1至4平方厘米之間。他們這次成功地獲得了16平方厘米的心臟組織，有5至8個(gè)細(xì)胞的厚度。測(cè)試表明，這個(gè)補(bǔ)丁中的心臟肌肉功能齊全，與正常的健康成年人心臟的電學(xué)、機(jī)械、結(jié)構(gòu)特性非常相似。

Bursac說：“做到這樣太難了，隨著組織越長(zhǎng)越大，就越維持它的特性。使這些組織在五星期的時(shí)間內(nèi)達(dá)到成年人心肌的成熟度，同時(shí)還要使其具有通常需要數(shù)年才能發(fā)育出來的特性，也是非常難的。”

Bursac 和Shadrin發(fā)現(xiàn)，這些存活下來的心臟補(bǔ)丁已經(jīng)血管化，在植入到小鼠心臟中后仍然能夠維持功能。然而，如果要替換人體壞死的心臟肌肉，那么還需要得到比該研究中更厚的組織。為了長(zhǎng)得更厚，這些組織需要血管化，所以內(nèi)部的細(xì)胞才能夠得到足夠的氧氣和營(yíng)養(yǎng)。研究人員們還需要弄清楚如何將心臟補(bǔ)丁與現(xiàn)有的肌肉完全地融合在一起。

圖像來源：《Nature Communication》

Shadrin說：“完全融合非常重要，不僅僅是為了提升心臟的機(jī)械收縮能力，還為了確保電波可以平順地通過，使心率不齊的風(fēng)險(xiǎn)*小化。我們正在對(duì)此展開研究，但是目前為止，我們首先對(duì)取得如此大體積的心臟組織表示高興?！?/p>

該研究是美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院所資助的一項(xiàng)為期7年，總經(jīng)費(fèi)860萬美元的研究的一部分。有了大型心臟補(bǔ)丁之后，Bursac的團(tuán)隊(duì)正在與阿拉巴馬大學(xué)的研究人員合作，開發(fā)能夠成功將心臟補(bǔ)丁與豬心臟結(jié)合的方法。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的另一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)改善的干細(xì)胞，用于培養(yǎng)組成心臟補(bǔ)丁的主要細(xì)胞種類，他們希望使人體對(duì)這些人造組織的免疫反應(yīng)降到*低。