《Nature Rev. Cardiol.》綜述：從細胞生物學到 3D 打印水凝膠

Hydrogel水凝膠

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摘要

成功設計功能性的人體心肌泵將代表數百萬患有終末期心髒病的患者的治療替代方案，並為基於動物的臨床前模型提供替代方案。盡管心髒組織工程領域取得了巨大的進步，但仍然存在重大挑戰，如果得到妥善解決，未來可能會實現工程化、功能性、複雜的 3D 結構的臨床實施。

圖 2：心髒組織工程概念。

最近，科研人員們概述了最先進的研究、尚未克服的挑戰以及對心髒組織工程的看法。從該領域使用的最臨床相關的細胞來源開始，並討論使用拓撲、生物物理和代謝刺激來獲得心肌細胞的成熟表型，特別是與有組織的細胞骨架和可收縮的細胞內結構有關。然後，從細胞水平轉向設計平面心髒貼片，並討論適當血管化的必要性以及獲得它的主要策略。最後，概述了體積器官和器官部件工程的幾種不同方法——從全心髒脫細胞和再細胞化到先進的 3D 打印技術。

部分主圖導讀

一種概括心髒 ECM 多孔性質的方法是利用水凝膠（圖 4h，i）。水凝膠通常用作組織工程中的支架，研究為在其中誘導各向異性提供了可能的途徑。一種這樣的方法依賴於應用外場來遠程指導載有細胞的水凝膠中的細胞排列。例如，使用駐波的聲學模式在肌肉和心髒貼片中產生細胞排列。這種技術不會傷害細胞並導致可收縮的排列組織的形成。同樣，通過在人類心肌細胞中加入磁性納米粒子並施加外部磁場，已經實現了 3D 水凝膠內受控的細胞取向。幾項研究依賴於使用多光子技術的光學圖案化來局部修改 ECM 樣水凝膠的特性，從而產生可以指導細胞排列的支架

圖 4：重述原生心髒矩陣。基於網膜 ECM 的水凝膠（h 部分）和具有多孔結構的預成型藻酸鹽支架（i 部分）。

圖 5：組織血管化的方法。

關鍵點

1. 功能性、人體、心肌組織的成功工程將代表數百萬患有終末期心髒病的患者的治療選擇。

2. 心髒在其多個尺度上組織良好的特征結構對其機械功能至關重要。因此，在工程化心肌組織中概括這些結構-功能關系是必要的。

3. 需要開發綜合成熟方案和定量工具來評估人類誘導多能幹細胞衍生的心肌細胞的成熟度，以產生具有成熟表型的細胞，該細胞可以成功地與宿主組織整合。

4. 盡管已經使用各種制造技術證明了各向異性、厚、血管化組織貼片的工程化，但它們的臨床實施仍然受到它們與宿主組織的不良整合的阻礙。

5. 制造 3D 體積心肌組織可以滿足終末期心力衰竭患者對心髒捐贈的迫切需求，因此是一個活躍且不斷發展的研究領域。

相關論文以題為Bioengineering approaches to treat the failing heart: from cell biology to 3D printing發表在《Nature Reviews Cardiology》上。通訊作者是以色列特拉維夫大學Tal Dvir教授。

參考文獻：

doi.org/10.1038/s41569-021-00603-7