创建新的心脏组织模型
没有安全的方法来近距离观察人类心脏的工作:你不能只是把它取出来，看一眼，然后再把它放回去。科学家们尝试了不同的方法来解决这个基本问题:他们将尸体心脏连接到机器上，让它们重新跳动，将实验室培养的心脏组织连接到弹簧上，观察它们的扩张和收缩。每种方法都有其缺陷:复活的心脏只能跳动几个小时;弹簧无法复制真正肌肉上的力量。但更好地了解这个重要器官是迫在眉睫的:在美国，根据美国疾病控制与预防中心的数据，每36秒就有一人死于心脏病．
现在，一个由工程师、生物学家和遗传学家组成的跨学科团队开发了一种研究心脏的新方法:他们用纳米工程部件和人类心脏组织的组合构建了一个心脏腔的微型复制品。它没有弹簧或外部电源——就像真正的心脏一样，它由干细胞培育的活心脏组织驱动，自己跳动。该设备可以让研究人员更准确地了解器官的工作原理，使他们能够跟踪心脏在胚胎中的生长情况，研究疾病的影响，并测试新疗法的潜在有效性和副作用——所有这些对患者来说都是零风险的，而且无需离开实验室。
由波士顿大学领导的团队研发的这款小设备绰号为miniPUMP，官方名称为心脏微型化精密单向微流控泵，该技术也可以为构建其他器官的实验室版本铺平道路，从肺到肾脏。他们的研究结果发表在科学的进步．
“我们可以以一种以前不可能的方式研究疾病进展，”他说波士顿大学工程学院教授和机械工程系主任Alice White说．“我们选择在心脏组织上进行研究，是因为它的力学结构特别复杂，但我们证明，当你将纳米技术与组织工程结合起来时，有可能将其复制到多个器官上。”
据研究人员称，该设备最终可以加快药物开发过程，使其更快、更便宜。研究人员可以从一开始就使用miniPUMP来更好地预测药物的成功或失败，而不是花费数百万甚至数十年的时间来开发一种药物，然后在人体测试时看到它在最后的障碍上倒下。
这个项目是CELL-MET这是一个由波士顿大学领导的多机构国家科学基金会细胞超材料工程研究中心。该中心的目标是再生患病的人类心脏组织，建立一个由科学家和行业专家组成的社区，以测试新药，并为因心脏病发作或疾病而受损的心脏创造人工植入补丁。
“心脏病是美国人死亡的第一大原因，影响着我们所有人，”怀特说，他在2013年加入波士顿大学之前是阿尔卡特朗讯贝尔实验室的首席科学家。“如今，心脏病没有治愈方法。CELL-MET的愿景就是改变这一现状。”
个性化医疗
你的心脏会出很多问题。当它的四个气瓶都正常工作时，心脏的两个顶部和两个底部腔室保持血液流动，使富氧血液循环并供养你的身体。但当疾病来袭时，从心脏输送血液的动脉会变窄或堵塞，瓣膜会泄漏或失灵，心肌会变薄或变厚，电信号会变短，导致心跳过多或过少。如果不加以控制，心脏病会导致呼吸困难、疲劳、肿胀和胸痛等不适，对许多人来说，甚至会导致死亡。
“心脏在将血液泵入我们的身体时，会经历复杂的力量，”他说克里斯托弗·陈，波士顿大学威廉·f·沃伦生物医学工程杰出教授．“虽然我们知道心肌在对异常力量的反应中会发生恶化，例如，由于高血压或瓣膜疾病，但很难模拟和研究这些疾病过程。这就是为什么我们想要建造一个小型化的心脏腔。”
迷你泵只有3平方厘米，比一张邮票大不了多少。它的构造就像人类的心室——或肌肉的下腔——它的定制组件安装在一块薄薄的3d打印塑料上。有微型的丙烯酸阀门，在这种情况下，打开和关闭来控制液态水的流动，而不是血液和小管道，就像动脉和静脉一样汇集液体。在一个角落里跳动的，是使心脏组织收缩的肌肉细胞，心肌细胞，是用干细胞技术制造的。
“它们是用诱导多能干细胞产生的，”博士后研究员Christos Michas (ENG ' 21)说，他设计并领导了miniPUMP的开发，这是他博士论文的一部分。
为了制造心肌细胞，研究人员从成人身上提取一个细胞——可以是皮肤细胞、血细胞或任何其他细胞——将其重新编程为胚胎样干细胞，然后将其转化为心脏细胞。Michas说，除了赋予该设备真正的心脏，心肌细胞还使该系统在帮助开创个性化药物方面具有巨大潜力。例如，研究人员可以将患病组织放入设备中，然后在该组织上测试药物，观察其泵血能力如何受到影响。
“有了这个系统，如果我从你身上取出细胞，我就能看到药物会如何反应你因为这些是你的细胞，”米查斯说。“这个系统更好地复制了心脏的一些功能，但与此同时，它为我们提供了复制不同人类的灵活性。这是一个更有预见性的模型，可以看到在人类身上会发生什么，而不需要真正进入人类。”
Michas说，这可以让科学家们在进入临床试验之前很久就能评估一种新的心脏病药物的成功几率。许多候选药物由于副作用而失败。
“在一开始，当我们还在研究细胞时，我们可以引入这些设备，并对临床试验中会发生什么有更准确的预测，”Michas说。“这也意味着这些药物的副作用可能更少。”
比头发还细
miniPUMP的关键部件之一是一个丙烯酸支架，它可以在心脏组织收缩时支撑并随其一起移动。一系列超细的同心螺旋——比人的头发还细——由水平环连接起来，这个支架看起来像一个艺术活塞。它是这个谜题的重要组成部分，为心脏细胞提供了结构——没有它，心脏细胞将只是一个无形的斑点——但它不会对它们施加任何主动力。
Chen说:“我们不认为以前研究心脏组织的方法能捕捉到肌肉在你体内的反应方式。波士顿大学生物设计中心也是哈佛大学威斯生物工程研究所的副教授。“这让我们第一次有机会制造出在机械上更接近我们认为心脏实际体验的东西——这是向前迈出的一大步。”
为了打印每个微小的组件，该团队使用了一种称为双光子直接激光书写的过程——一种更精确的3D打印版本。当光线照射到液体树脂上时，它所接触的区域会变成固体;因为光线可以精确地瞄准——聚焦到一个微小的点——微型泵中的许多组件都是以微米为单位测量的，比灰尘颗粒还小。
把泵做得这么小，而不是实物大小或更大，这是经过深思熟虑的决定，对其功能至关重要。
怀特说:“这种结构元素非常精细，通常很僵硬的东西都很灵活。”“打个比方，想想光纤:玻璃窗户非常坚硬，但你可以把玻璃光纤缠在你的手指上。丙烯酸可能非常坚硬，但在微型泵的规模上，丙烯酸支架能够被跳动的心肌细胞压缩。”
Chen说，泵的规模表明，“有了更精细的打印结构，你可能能够创造出比我们以前认为的更复杂的细胞组织。”他说，目前，当研究人员试图创造细胞时，无论是心脏细胞还是肝细胞，它们都是杂乱无章的——“要获得结构，你必须交叉手指，希望细胞能创造出一些东西。”这意味着，在miniPUMP中率先使用的组织支架在心脏之外具有巨大的潜在影响，为从肾脏到肺的其他芯片器官奠定了基础。
提炼技术
根据White的说法，CELL-MET研究团队的专家范围有可能实现这一突破，其中不仅包括机械、生物医学和材料工程师，如她、Chen和佛罗里达国际大学的Arvind Agarwal说也是遗传学家哈佛医学院的Jonathan G. Seidman说心血管医学专家哈佛医学院的Christine E. Seidman说和布莱根妇女医院这种丰富的经验不仅让项目受益，也让Michas受益。作为一名电子和计算机工程专业的本科生，他说他“在开始这个项目之前从未见过细胞。”现在，他准备在西雅图的生物技术公司Curi Bio开始一个新职位，该公司将干细胞技术、组织生物系统和人工智能结合起来，为药物和治疗方法的开发提供动力。
“克里斯托是一个了解生物学的人，”怀特说，“可以进行细胞分化和组织操作，但也了解纳米技术，以及以工程方式制造结构所需要的东西。”
miniPUMP团队的下一个直接目标是什么?改进技术。他们还计划在不影响其可靠性的情况下测试制造该设备的方法。
“有这么多的研究应用，”陈说。“除了让我们获得人类心肌来研究疾病和病理学外，这项工作还为制作心脏补丁铺平了道路，最终可能适用于目前心脏有缺陷的人。”
该项目的其他研究人员包括BU工程学院(ENG)机械工程和材料科学与工程教授Kamil Ekinci, ENG生物医学工程研究助理教授Jeroen Eyckmans, M. Çağatay Karakan (ENG ' 22)，以及宾夕法尼亚大学博士后研究员Pranjal Nautiyal，他最近在佛罗里达国际大学完成了博士学位。
参考:Michas C, Karakan MÇ， Nautiyal P，等。利用高精度制造技术在芯片上制造活心脏泵。Sci副词．8 (16): eabm3791。doi:10.1126 / sciadv.abm3791
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