最新Science子刊：生物3D打印新突破！用光就能調(diào)控心臟組織

來(lái)源： EFL生物3D打印與生物制造

在醫(yī)療科技飛速發(fā)展的當(dāng)下，生物3D打印組織在心臟治療領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力，成為眾多科研人員聚焦的前沿方向。這種前沿技術(shù)能夠構(gòu)建出與天然心肌極為相似的組織，為心臟疾病的治療開(kāi)辟了嶄新的路徑。

然而，生物3D打印組織用于心臟修復(fù)治療時(shí)，因缺乏與宿主組織動(dòng)態(tài)交互能力，需外部電刺激調(diào)節(jié)。但傳統(tǒng)電刺激存在諸多弊端：依賴(lài)有線(xiàn)傳輸，操作繁瑣且限制設(shè)備移動(dòng)性和靈活性，降低治療效率與便利性；需侵入性電極放置，會(huì)給患者帶來(lái)痛苦和創(chuàng)傷，有引發(fā)感染、出血等并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)，長(zhǎng)期植入還可能導(dǎo)致組織損傷和炎癥反應(yīng)；還會(huì)對(duì)細(xì)胞造成潛在損傷，干擾細(xì)胞正常生理功能，影響細(xì)胞生長(zhǎng)、分化和代謝，甚至致其死亡，進(jìn)而影響生物3D打印組織的功能和穩(wěn)定性，阻礙治療效果的發(fā)揮。

為了克服這些困境，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校余存江（Cunjiang Yu）教授聯(lián)合哈佛醫(yī)學(xué)院張宇（Yu Shrike Zhang）教授團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)了一種新型光電子刺激技術(shù)，為解決傳統(tǒng)電刺激的問(wèn)題帶來(lái)了新的希望。相關(guān)研究成果以“Bioprinted optoelectronically active cardiac tissues”為題發(fā)表在《Science Advances》上。

關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)
創(chuàng)新組織構(gòu)建：將微太陽(yáng)能電池集成到生物打印的 GelMA 支架中，創(chuàng)建光電子活性組織，無(wú)需電線(xiàn)和基因改造即可實(shí)現(xiàn)光調(diào)控心臟組織跳動(dòng)。

安全有效刺激：光刺激能有效調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞跳動(dòng)速率，維持高細(xì)胞活力，對(duì)心電圖形態(tài)影響小，為心臟治療提供新的安全有效刺激方式。

圖 1. 光電子活性生物墨水成分及打印過(guò)程

研究方法
材料制備：混合 GelMA 與微太陽(yáng)能電池制備墨水，打印不同結(jié)構(gòu)支架，優(yōu)化打印參數(shù)，并對(duì)墨水相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行表征。
體外實(shí)驗(yàn)：培養(yǎng) hiPSC-CMs 和 rCMs，分別與微太陽(yáng)能電池共培養(yǎng)或接種到支架上，用多電極陣列監(jiān)測(cè)細(xì)胞場(chǎng)電位，研究光刺激影響。
體內(nèi)實(shí)驗(yàn)：構(gòu)建光電子活性組織植入大鼠心臟表面，用綠色 LED 光刺激，記錄心電圖和心率，評(píng)估對(duì)心臟跳動(dòng)的調(diào)控能力。

研究結(jié)果：材料制備
材料制備涵蓋微太陽(yáng)能電池、光電子活性墨水及支架，為構(gòu)建光電子活性組織打基礎(chǔ)，各材料性質(zhì)和打印參數(shù)符合后續(xù)實(shí)驗(yàn)要求。
微太陽(yáng)能電池：在硅片上制造，有典型光伏特性，開(kāi)路電壓約 0.5V ，532nm、100-ms 光脈沖照射下在 DPBS 溶液中產(chǎn)生約 3nA 光電流，制成后用水溶膠帶收集存于 DPBS 溶液備用。

光電子活性墨水：GelMA 與微太陽(yáng)能電池混合而成，配方為 7wt% GelMA、0.25wt% LAP，微太陽(yáng)能電池密度約 1300 個(gè) /ml 。未交聯(lián)時(shí)存儲(chǔ) / 損耗模量和粘度比純 GelMA 略高，交聯(lián)后壓縮模量（10.24±2.33kPa）低于對(duì)照組（16.59±2.43kPa），6 小時(shí)溶脹率增約 1000% ，6 小時(shí)加速降解率約 88%。微太陽(yáng)能電池降解產(chǎn)物硅酸生物相容性好，墨水對(duì)光穿透和電位分布影響小。
光電子活性支架：研究打印參數(shù)對(duì)微太陽(yáng)能電池分布的影響，確定用 25 號(hào)噴嘴、80-μm 微太陽(yáng)能電池的最佳打印條件（線(xiàn)速度、溫度、壓力等）。打印的支架結(jié)構(gòu)多樣，如模擬心臟結(jié)構(gòu)的支架，可用于后續(xù)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)研究，是構(gòu)建光電子活性組織的有效載體。

圖 2. μ- 太陽(yáng)能電池特性及對(duì)心肌細(xì)胞的直接刺激

研究結(jié)果：體外評(píng)估
研究者對(duì)光電子活性支架進(jìn)行體外評(píng)估，體外評(píng)估圍繞生物相容性、調(diào)制能力以及對(duì)心電圖形態(tài)影響展開(kāi)，驗(yàn)證光電子活性支架在心臟治療應(yīng)用中的可行性。結(jié)果顯示其在多方面表現(xiàn)良好，為心臟治療應(yīng)用提供支持。

生物相容性評(píng)估
細(xì)胞活力與形態(tài)：經(jīng)活 / 死染色和熒光顯微鏡觀(guān)察，hiPSC - CMs 和 rCMs 在光電子活性支架上 2 周內(nèi)活力高，hiPSC - CMs 活力始終維持較好，表明支架細(xì)胞相容性佳，對(duì)細(xì)胞存活生長(zhǎng)無(wú)明顯負(fù)面影響。

心臟標(biāo)記物表達(dá)：培養(yǎng) 15 天的 hiPSC - CMs 免疫染色顯示，肌節(jié) α - 肌動(dòng)蛋白等心臟特異性標(biāo)記物正常表達(dá)且肌節(jié)模式正常，說(shuō)明支架生物相容性良好，能支持心肌細(xì)胞正常發(fā)育成熟。

圖 3. 光電子活性支架上心肌細(xì)胞的活力及心臟標(biāo)記物的表達(dá)

調(diào)制能力評(píng)估
細(xì)胞跳動(dòng)速率調(diào)節(jié)：光刺激接種 hiPSC - CMs 的支架，1Hz 刺激四輪后，跳動(dòng)速率從約 50 次 / 分鐘提升到約 60 次 / 分鐘；1.2Hz 刺激兩輪后，升至約 72 次 / 分鐘，較初始提高約 44%，證明支架能有效調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞跳動(dòng)速率。

同步化效果：激活熱圖顯示，多輪刺激下各通道激活時(shí)間縮短，心肌細(xì)胞跳動(dòng)更同步，表明支架可增強(qiáng)心肌細(xì)胞間電信號(hào)傳導(dǎo)，促進(jìn)跳動(dòng)同步化。

圖 4. 光電子活性支架的體外評(píng)估

對(duì)心電圖形態(tài)影響評(píng)估：分析亞閾值刺激下 ECG 的 QRS 持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)刺激未引起 ECG 波形形態(tài)顯著變化，幾乎所有通道分析形態(tài)特征的 P 值大于 0.05，說(shuō)明支架調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞跳動(dòng)時(shí)，對(duì)心臟正常電生理信號(hào)干擾小，保證心臟電活動(dòng)穩(wěn)定。

研究結(jié)果：體內(nèi)評(píng)估
主要探究光電子活性組織對(duì)活體大鼠心臟跳動(dòng)的調(diào)控效果，證實(shí)其在體內(nèi)能有效調(diào)節(jié)心臟跳動(dòng)且對(duì)電生理活動(dòng)影響小。

心率調(diào)控：將光電子活性組織（含微太陽(yáng)能電池的支架與 rCMs 構(gòu)成）植入大鼠心臟表面，以約 5Hz 頻率刺激，大鼠初始心率約 280 次 / 分鐘，刺激約 12 分鐘后心率接近 302 次 / 分鐘，提升 7.8% 。停止刺激后，心率約 3 分鐘內(nèi)開(kāi)始下降，最終穩(wěn)定在約 290 次 / 分鐘，表明光刺激下光電子活性組織能有效加速心臟跳動(dòng)，停止刺激后心率回落。

心電圖變化：實(shí)驗(yàn)全程記錄大鼠心電圖，從心電圖可清晰看到心率隨刺激的變化，與心率變化結(jié)果一致，證明光電子活性組織對(duì)心臟跳動(dòng)的調(diào)控作用。同時(shí)，心電圖未出現(xiàn)明顯異常變化，說(shuō)明該組織在調(diào)節(jié)心臟跳動(dòng)過(guò)程中，對(duì)心臟電生理活動(dòng)無(wú)不良影響。

對(duì)照實(shí)驗(yàn)：將僅含打印 GelMA（無(wú)微太陽(yáng)能電池）并接種 rCMs 的組織植入另一大鼠心臟，以約 6.5Hz 頻率刺激，大鼠心臟心率未增加。這凸顯微太陽(yáng)能電池在光電子活性組織調(diào)節(jié)心臟跳動(dòng)中的關(guān)鍵作用，只有含微太陽(yáng)能電池的組織才能實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控。

溫度影響：監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)光刺激過(guò)程中組織表面溫度雖有升高，但主要因光脈沖結(jié)束時(shí)熱量積累，溫度變化對(duì)心臟跳動(dòng)調(diào)制無(wú)實(shí)質(zhì)影響。

圖5. 光電子活性組織在活體大鼠心臟上的評(píng)估

挑戰(zhàn)與展望
目前研究處于概念驗(yàn)證階段，面臨心肌細(xì)胞與光電子活性墨水未共打印、植入組織長(zhǎng)期再生及宿主整合情況不明、綠光穿透深度僅約 1mm 等挑戰(zhàn)；未來(lái)展望實(shí)現(xiàn)共打印、探索長(zhǎng)期再生與整合、用近紅外光或染料增加穿透深度，推動(dòng)在大動(dòng)物模型及人類(lèi)治療應(yīng)用，拓展至可植入治療設(shè)備、組織工程和個(gè)性化醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。