《Nature Rev. Cardiol.》综述：从细胞生物学到 3D 打印水凝胶

【摘要】

成功设计功能性的人体心肌泵将代表数百万患有终末期心脏病的患者的治疗替代方案，并为基于动物的临床前模型提供替代方案。尽管心脏组织工程领域取得了巨大的进步，但仍然存在重大挑战，如果得到妥善解决，未来可能会实现工程化、功能性、复杂的 3D 结构的临床实施。

图 2：心脏组织工程概念。

最近，科研人员们概述了最先进的研究、尚未克服的挑战以及对心脏组织工程的看法。从该领域使用的最临床相关的细胞来源开始，并讨论使用拓扑、生物物理和代谢刺激来获得心肌细胞的成熟表型，特别是与有组织的细胞骨架和可收缩的细胞内结构有关。然后，从细胞水平转向设计平面心脏贴片，并讨论适当血管化的必要性以及获得它的主要策略。最后，概述了体积器官和器官部件工程的几种不同方法——从全心脏脱细胞和再细胞化到先进的 3D 打印技术。

【部分主图导读】

一种概括心脏 ECM 多孔性质的方法是利用水凝胶（图 4h，i）。水凝胶通常用作组织工程中的支架，研究为在其中诱导各向异性提供了可能的途径。一种这样的方法依赖于应用外场来远程指导载有细胞的水凝胶中的细胞排列。例如，使用驻波的声学模式在肌肉和心脏贴片中产生细胞排列。这种技术不会伤害细胞并导致可收缩的排列组织的形成。同样，通过在人类心肌细胞中加入磁性纳米粒子并施加外部磁场，已经实现了 3D 水凝胶内受控的细胞取向。几项研究依赖于使用多光子技术的光学图案化来局部修改 ECM 样水凝胶的特性，从而产生可以指导细胞排列的支架

图 4：重述原生心脏矩阵。基于网膜 ECM 的水凝胶（h 部分）和具有多孔结构的预成型藻酸盐支架（i 部分）。

图 5：组织血管化的方法。

【关键点】

1. 功能性、人体、心肌组织的成功工程将代表数百万患有终末期心脏病的患者的治疗选择。

2. 心脏在其多个尺度上组织良好的特征结构对其机械功能至关重要。因此，在工程化心肌组织中概括这些结构-功能关系是必要的。

3. 需要开发综合成熟方案和定量工具来评估人类诱导多能干细胞衍生的心肌细胞的成熟度，以产生具有成熟表型的细胞，该细胞可以成功地与宿主组织整合。

4. 尽管已经使用各种制造技术证明了各向异性、厚、血管化组织贴片的工程化，但它们的临床实施仍然受到它们与宿主组织的不良整合的阻碍。

5. 制造 3D 体积心肌组织可以满足终末期心力衰竭患者对心脏捐赠的迫切需求，因此是一个活跃且不断发展的研究领域。

相关论文以题为Bioengineering approaches to treat the failing heart: from cell biology to 3D printing发表在《Nature Reviews Cardiology》上。通讯作者是以色列特拉维夫大学Tal Dvir教授。

参考文献：

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