美國杜克大學的生物醫(yī)學工程師發(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心臟病患者的心臟損傷。這項成果使人類朝著修復人類壞死心臟肌肉的*目標邁進了一大步。該研究于2017年11月28日發(fā)表在《Nature Communication》期刊的在線版本上。

杜克大學的生物醫(yī)學工程博士生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，因為一旦心肌死亡，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。死亡的心肌會被疤痕組織替換掉，而疤痕組織是無法傳輸電信號的，也無法收縮，而這兩個因素對于平順且有力的心臟跳動是必需。而*終因此導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重并發(fā)癥。Shadrin和杜克大學的生物醫(yī)學教授Nenad Bursac發(fā)明的這種療法就是其中之一。

當前的臨床試驗正在測試將干細胞注入到受損部位從而修復受損心肌的方法。干細胞來自于骨髓、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，但是它的機制仍然沒有被完全了解。注入的干細胞中只有不到1%存活下來并存在于心臟中，成為心肌細胞的就更少了。

而這種“心臟補丁”則可以移植到壞死心臟肌肉上，并且長時間保持活性，為心臟的收縮提供更強的動力，也為心臟電信號的流通提供更平順的途徑。這些“心臟補丁”還會分泌酶和生長因子，可以使尚未壞死的組織得到修復。

然而，讓這種方法奏效的話，“心臟補丁”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壯，具有電活性，否則就會導致嚴重的心律失常。

這是*滿足這兩個標準的心臟補丁。Bursac說：“培養(yǎng)個體的心肌細胞是非常司空見慣的事，但是人們一直關注于用于藥物開發(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)心臟補丁的細胞來自于人類多能干細胞，這種干細胞可以分化成為身體中任何種類的細胞。Bursac和Shadrin成功地利用多種不同的人類干細胞系培養(yǎng)心臟補丁，包括胚胎干細胞，以及誘導多能干細胞。

圖像來源：《Nature Communication》

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

該團隊花費了數(shù)年的時間，才找到了使組織長大的正確的細胞組合、支撐結構、生長因子、營養(yǎng)和培養(yǎng)條件。每個容器和步驟都要仔細考慮，從頭設計。而將這些細胞結合在一起的關鍵是要一點一點的“搖擺”。

Shadrin說：“輕輕地晃動樣本，改善它們與營養(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果好上三到五倍。”

這項研究對過去的心臟補丁進行了改善。過去的補丁在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個細胞的厚度。測試表明，這個補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、機械、結構特性非常相似。

Bursac說：“做到這樣太難了，隨著組織越長越大，就越維持它的特性。使這些組織在五星期的時間內(nèi)達到成年人心肌的成熟度，同時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?！?/p>

Bursac 和Shadrin發(fā)現(xiàn)，這些存活下來的心臟補丁已經(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。為了長得更厚，這些組織需要血管化，所以內(nèi)部的細胞才能夠得到足夠的氧氣和營養(yǎng)。研究人員們還需要弄清楚如何將心臟補丁與現(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，使心率不齊的風險*小化。我們正在對此展開研究，但是目前為止，我們首先對取得如此大體積的心臟組織表示高興?！?/p>

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