心臟肌肉組織支持著心臟在人一生中平均超過二十億次的跳動。層狀心肌纖維組成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，為心肌組織提供同步收縮力。每一層心肌纖維都高度平行，以通過緊密的離子通道連接將電信號轉(zhuǎn)成最大化的收縮力。如此復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)令到體外模擬心肌纖維與組織困難重重。更是令學(xué)習(xí)纖維結(jié)構(gòu)的改變對心肌收縮力的影響和體外測藥充滿挑戰(zhàn)。
近期加州大學(xué)圣地亞哥分校的Shaochen Chen教授實驗室在《Biomaterials》雜志上發(fā)表了題為Direct 3D bioprinting of cardiac micro-tissues mimicking native myocardium的研究論文。作者們運(yùn)用數(shù)字光處理3D生物打印技術(shù)和混合了高濃度心肌細(xì)胞的明膠衍生材料（GelMA），打印出設(shè)定的材料圖案來誘導(dǎo)小鼠心室心肌細(xì)胞與纖維的排列（圖1）。打印的心肌組織總長約2厘米，寬1厘米，厚250微米。心肌組織懸空在兩個同時打印的微支柱（micro-cantilever）中間，以通過測量支柱位移來計算心肌收縮力（圖1）。
相較于在傳統(tǒng)玻璃上的2D細(xì)胞培養(yǎng)和有平行圖案誘導(dǎo)的2D培養(yǎng)，3D打印在微支柱間的樣本展現(xiàn)出更一致的心肌纖維方向性。十天和三十天的樣本表現(xiàn)出高度平行的肌原纖維節(jié)（sarcomere）以及更似體內(nèi)心肌細(xì)胞的肌原纖維節(jié)長度（圖2）。當(dāng)肌原纖維節(jié)表現(xiàn)出一致的方向性與合適的長度，心肌組織產(chǎn)生的總體收縮力將提高并且趨近于體內(nèi)心肌水平。
為了學(xué)習(xí)心肌纖維排列結(jié)構(gòu)的改變對心肌收縮力和興奮-收縮耦聯(lián) (excitation-contractioncoupling) 的影響，作者設(shè)計出不同的打印圖案。通過改變明膠衍生材料（GelMa）的打印結(jié)構(gòu)，小鼠心室心肌細(xì)胞與纖維的排列也相應(yīng)改變（圖3）。作者測試了五種打印圖案，心肌纖維只有在平行圖案打印出的材料中才顯現(xiàn)出最大的收縮力和微支柱位移（圖3）。
作者采用鈣瞬變成像(calcium transient imaging)和異丙腎上腺素(isoproterenol)測試更進(jìn)一步評估平行圖案打印的心肌組織的興奮-收縮耦聯(lián)功能，也就是將離子電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s力的功能。作者發(fā)現(xiàn)未加異丙腎上腺素的樣本已表現(xiàn)出與收縮力同時產(chǎn)生的瞬時性鈣增高。通過比較異丙腎上腺素影響前后的樣本，3D打印的心肌組織表現(xiàn)出預(yù)期的生理反應(yīng)，也就是更快且更大的瞬時性鈣增高現(xiàn)象（圖4）。
總結(jié)：通過數(shù)字光處理3D生物打印技術(shù)打印出的體外心肌組織結(jié)構(gòu)有高通量，高重復(fù)性，可控性以及持久的生理成熟表現(xiàn)。通過打印圖案的設(shè)計，心肌纖維可以高度平行排列并模擬體內(nèi)微結(jié)構(gòu)，同時產(chǎn)生最大化的收縮力。與心肌收縮力同時出現(xiàn)的瞬時性鈣增高以及體外藥物測試的生理反應(yīng)更是說明3D打印心肌組織的成熟性。這樣的心肌組織可以應(yīng)用在更多的體外測藥與心臟疾病研究。
參考文獻(xiàn)：
Liu J, Miller K, Ma X, Dewan S, Lawrence N,Whang G, Chung P, McCulloch MD, Chen SC. Direct 3D bioprinting of cardiacmicro-tissues mimicking native myocardium. Biomaterials 2020. In Press.
文章鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961220304506
