像吹棉花糖一样制成的人工心脏，哈佛大学揭开心脏螺旋结构之谜

2022年7月7日，Science 期刊发表了来自哈佛大学一项重磅研究成果——聚焦旋转喷射纺纱（FRJS）技术构建的人工心脏，揭开了心脏螺旋结构的功能之谜，提高了我们对心脏跳动方式的理解，这也是器官生物制造（Organ Biofabrication）的一个重要突破。

心脏，是人类最重要的器官之一。人体的正常运转离不开心脏的跳动，虽然我们的心脏仅约近于拳头大小，但却是维持血液循环的关键节点，在人的一生中，心脏都在不停跳动，哪怕只停止工作几分钟，就足以导致不可逆转的脑损伤，甚至致人死亡。

今年一月份，世界首例猪心脏成功移植给人类的新闻轰动世界。然而，两个月后，移植猪心脏后的患者因病情恶化而死亡。《新英格兰医学杂志》（NEJM）披露的手术细节显示，患者死后心脏重量几乎增加了一倍，组织学检查发现肌细胞坏死、间质水肿和红细胞外渗。与此同时，医生还在患者肺部发现了人类疱疹病毒（HHV-6）和猪巨细胞病毒（pCMV），但目前还无法证明，患者是否死于病毒感染。

这一案例告诉我们，通过异种移植来解决心脏移植供体来源不足的问题，仍有很长的一段路要走，甚至会因面临各种不可预估的免疫排斥问题而告终。因此，如果能设计并创造一种人工心脏，也许就可以帮助解决这一问题。

2022年7月7日，哈佛大学 Kevin Kit Parker 团队（常会宾博士为第一作者）在国际顶尖学术期刊 Science 上发表题为：Recreating the heart’ s helical structure-function relationship with focused rotary jet spinning 的研究论文【1】。

该研究利用一种新的、更先进的工艺技术——聚焦旋转喷射纺纱（FRJS）来制造人造组织和器官。通过 FRJS 技术，研究团队能够快速制造具有可编程的三维几何排列的微/纳米纤维支架，在这些支架上植入心肌细胞，即可获得具有正常心脏结构特性的、可跳动的“人工心脏”。

早在1669年，英国医生 Richard Lower 就首次注意到了心肌呈螺旋状排列。此后的300多年时间里，科学家们对心脏的结构和功能有了更全面的了解，推测心脏的螺旋结构和复杂的肌肉组织能够实现更大的射血分数，更有效地将血液泵入全身。然而，想要在人造心脏中重现如此复杂的细节非常困难，甚至于仅仅是研究心脏螺旋结构的功能特性都十分困难。

心脏的螺旋结构

常会宾博士表示，生物组织由各种空间排列复杂的微/纳米纤维组成，这些纤维的排列是经过漫长的进化过程一步步筛选出来的。许多组织的基质纤维的走向足以影响其正常功能，想要利用目前的技术来重现特定组织（如心脏）的精细空间特征和复杂结构无疑是一个巨大的挑战。

在这项最新研究中，研究团队开发了聚焦旋转喷射纺纱（FRJS）技术。该工艺是一种利用离心纺丝快速成形纤维的增材制造方法，纤维随后在可控气流中聚焦、对齐并沉积到目标位置。通过使用气流，这种方法可以高通量地同时操作数千根微/纳米纤维；通过特殊设计的气流，FRJS 可以制造出复杂的 3D 纤维结构。

FRJS技术可纺制心脏螺旋结构

将另外两种可制造人造器官和组织的方法——3D 打印和纤维纺纱，与 FRJS 比较，虽然 3D 打印可以轻松实现复杂的纤维排列，但无法高通量地打印纳米纤维；虽然纳米纤维纺纱技术（如静电纺纱）可以在大规模生产水平上生产高通量的纳米纤维，但难以实现复杂的纤维排列。而 FRJS 不但具有 3D 打印和纤维纺纱的优点，还克服了它们各自的缺点，在实现复杂的 3D 纤维结构，还保证了生产量。

常会宾博士告诉《生物世界》，不同于 3D 打印会随着分辨率的提高而减慢速度，FRJS 可以快速纺制微米级（相当于头发丝直径的50分之一）的纤维。以胶原蛋白（心脏细胞外基质蛋白的一种）为例，其直径约为1微米，使用 3D 打印以此分辨率从头建立一颗心脏，需要100多年时间，而 FRJS 一天时间就能完成。

为了充分展示 FRJS 的应用潜力，研究团队使用该工艺制作了具有复杂 3D 结构的、全尺寸的人类心脏纤维支架模型。该“人工心脏”模型是一个三层双腔心室模型，体现了 FRJS 捕捉生物组织中复杂纤维排列的能力；单层心室大小分为小鼠、猫、人类和小须鲸，彰显了 FRJS 制造过程的可扩展性。

多尺度心脏模型

常会宾博士表示，人类的心脏是由多层不同角度螺旋排列的肌肉细胞组成，使用 FRJS 技术，可以以非常精确的方式重建心脏的这些复杂螺旋结构，形成单个甚至四个腔室的心脏结构。这为研究心脏功能和心脏疾病提供了非常有用的模型。

完成纺制的螺旋心脏支架接种心肌细胞或干细胞来源的心肌细胞，大约一周时间内，心肌细胞就能覆盖整个心脏支架表面，这些细胞随着心脏支架的纤维排列，而且能够复现人类心脏的跳动方式——拧动。

常会宾博士告诉《生物世界》，比较了螺旋排列纤维纺制的心脏结构和同心圆排列纤维纺制的心脏结构，前者在心室变形、电信号速度和射血分数都更为优异，其中，螺旋心脏的射血分数是同心圆心脏的2倍。这些发现验证了 Edward Sallin 教授于1969年提出的理论猜想——心脏的螺旋结构对于实现更大的射血分数至关重要。因此，在以后的心脏疾病模型研究中，螺旋形结构是不可缺少的一部分。

FRJS 技术除了用来纺制“人工心脏”，还有许多其他应用方向，在今年6月20日，常会宾博士等在 Nature Food 期刊发表了一篇题为：High-throughput coating with biodegradable antimicrobial pullulan fibres extends shelf life and reduces weight loss in an avocado model 的研究论文【2】。

在这篇论文里，研究团队使用 FRJS 技术将抗菌纤维直接包裹在牛油果上，更好地减缓牛油果的腐烂、减重和褪色，为易腐食品提供了一个更有前景的低成本包装方式。

最后，常会宾博士告诉《生物世界》，FRJS 技术还可以用来重建血管、软骨，以及恢复皮肤，实验室目前也正在进行相关研究。此外，这项技术已经申请专利，正在推进批量化生产技术的开发，以及在食品包装和生物支架等方面的应用。

总的来说，这项研究展示了一种充满前景的、制造人工器官组织的工艺技术——聚焦旋转喷射纺纱（FRJS）。通过该技术，研究团队成功制造了一个具有复杂 3D 结构的“人工心脏”，并为解析心肌特定螺旋结构的功能奠定了基础。

也许在不远的将来，移植人工心脏将不再是小说、电影里的科幻产物，而能走入临床应用，为心脏疾病患者带来新的希望。

论文链接：

https：//www.science.org/doi/10.1126/science.abl6395

https：//www.nature.com/articles/s43016-022-00523-w