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。更是令學習纖維結(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胞的明膠衍生材料(GelMA),打印出設(shè)定的材料圖案來誘導小鼠心室心肌細胞與纖維的排列(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)。

《Biomaterials》:3D打印心臟微組織-模擬心肌纖維結(jié)構(gòu)
圖1: a) 3D打印系統(tǒng), b) 打印設(shè)計圖案與序列, c) 打印微組織結(jié)構(gòu)簡略圖, d) 打印心肌組織在重建后的心肌纖維的共聚焦顯微成像

 

相較于在傳統(tǒng)玻璃上的2D細胞培養(yǎng)和有平行圖案誘導的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)心肌細胞的肌原纖維節(jié)長度(圖2)。當肌原纖維節(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。

《Biomaterials》:3D打印心臟微組織-模擬心肌纖維結(jié)構(gòu)
圖2: 3D打印在微支柱間的心肌組織在第1,10,30天的顯微圖像(左)和肌原纖維節(jié)共聚焦顯微染色成像 (右)。

 

為了學習心肌纖維排列結(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),小鼠心室心肌細胞與纖維的排列也相應改變(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)。

《Biomaterials》:3D打印心臟微組織-模擬心肌纖維結(jié)構(gòu)
圖3: a) 打印圖案設(shè)計,b) 3D打印心肌組織培養(yǎng)十天的顯微圖像,c) 肌原纖維節(jié)共聚焦顯微染色成像,d) 測量出的微支柱位移。

 

作者采用鈣瞬變成像(calcium transient imaging)和異丙腎上腺素(isoproterenol)測試更進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)出預期的生理反應,也就是更快且更大的瞬時性鈣增高現(xiàn)象(圖4)。

《Biomaterials》:3D打印心臟微組織-模擬心肌纖維結(jié)構(gòu)
圖4: a) 十天與三十天時間點藥物添加前后的心肌鈣瞬變, b) 鈣瞬變?nèi)旧珶晒庠谒幬锾砑雍蟮陌俜直仍鲩L。

 

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用在更多的體外測藥與心臟疾病研究。

 

參考文獻:

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

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