Введение
Чтобы построить человеческое сердце с нуля, исследователям необходимо воспроизвести уникальные структуры, из которых состоит сердце. Это включает в себя воссоздание спиральной геометрии, которая создает крутящееся движение, когда бьется сердце. Давно предполагалось, что это скручивающее движение имеет решающее значение для перекачивания крови в больших объемах, но доказать это было сложно, отчасти потому, что создание сердец с различной геометрией и расположением было сложной задачей.
Теперь биоинженеры из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали первую биогибридную модель желудочков человека со спирально выровненными сердечными клетками и показали, что выравнивание мышц на самом деле резко увеличивает количество кровь, которую желудочек может перекачивать при каждом сокращении.
Это достижение стало возможным благодаря новому методу аддитивного производства текстиля, сфокусированному вращательному струйному прядению (FRJS), который позволил производить высокопроизводительные спирально выровненные волокна диаметром от нескольких микрометров до сотен нанометров. Волокна FRJS, разработанные в SEAS группой биофизики заболеваний Кита Паркера, направляют выравнивание клеток, позволяя формировать контролируемые тканевые инженерные структуры.
Исследование опубликовано в Science.
Эта работа уходит своими корнями в многовековую тайну. В 1669 году английский врач Ричард Лоуэр, человек, который считал Джона Локка среди своих коллег и короля Карла II среди своих пациентов, впервые отметил спиралевидное расположение сердечных мышц в своем основополагающем труде Tractatus de Corde.
В течение следующих трех столетий врачи и ученые достигли более полного понимания структуры сердца, но назначение этих спиралевидных мышц оставалось крайне трудным для изучения.
В 1969 году Эдвард Саллин, бывший заведующий кафедрой биоматематики Медицинской школы Бирмингемского университета Алабамы, утверждал, что спиральное выравнивание сердца имеет решающее значение для достижения больших фракций выброса — процента того, сколько крови желудочек перекачивает при каждом сокращении.
«Наша цель состояла в том, чтобы построить модель, в которой мы могли бы проверить гипотезу Саллина и изучить относительную важность спиральной структуры сердца», — сказал Джон Циммерман, научный сотрудник SEAS и соавтор статьи.
Чтобы проверить теорию Саллина, исследователи из SEAS использовали систему FRJS для контроля выравнивания пряденных волокон, на которых они могли выращивать сердечные клетки.
Первый этап FRJS работает как машина по производству сахарной ваты — жидкий раствор полимера загружается в резервуар и выталкивается через крошечное отверстие под действием центробежной силы по мере вращения устройства. Когда раствор выходит из резервуара, растворитель испаряется, а полимеры затвердевают, образуя волокна. Затем сфокусированный воздушный поток контролирует ориентацию волокна, когда оно укладывается на коллектор. Команда обнаружила, что при наклоне и вращении коллектора волокна в потоке будут выстраиваться и закручиваться вокруг коллектора по мере его вращения, имитируя спиральную структуру сердечных мышц.
Выравнивание волокон можно настроить, изменив угол коллектора.
«Человеческое сердце на самом деле имеет несколько слоев спирально выровненных мышц с разными углами выравнивания», — сказал Хуйбин Чанг, научный сотрудник SEAS и соавтор статьи. «С помощью FRJS мы можем очень точно воссоздать эти сложные структуры, формируя одно- и даже четырехкамерные желудочковые структуры».
В отличие от 3D-печати, которая становится медленнее по мере того, как элементы становятся меньше, FRJS может быстро скручивать волокна размером в один микрон, что примерно в пятьдесят раз меньше, чем один человеческий волос. Это важно, когда речь идет о создании сердца с нуля. Возьмем, к примеру, коллаген, белок внеклеточного матрикса сердца, диаметр которого также составляет один микрон. Потребуется более 100 лет, чтобы напечатать в 3D каждый кусочек коллагена в человеческом сердце с таким разрешением. FRJS может сделать это за один день.
После вращения желудочки засевают кардиомиоцитами крысы или клетками кардиомиоцитов, полученными из стволовых клеток человека. Примерно через неделю несколько тонких слоев бьющейся ткани покрыли каркас, а клетки следовали за выравниванием волокон под ним.
Биение желудочков имитировало те же скручивающие или сжимающие движения, что и в человеческом сердце.
Исследователи сравнили деформацию желудочка, скорость передачи электрических сигналов и фракцию выброса между желудочками, состоящими из спирально выровненных волокон, и желудочков, состоящих из волокон, выровненных по окружности. Они обнаружили, что по всем фронтам спирально выровненная ткань превосходит ткань, выровненную по окружности.
«С 2003 года наша группа работала над тем, чтобы понять структурно-функциональные отношения сердца и то, как болезнь патологически нарушает эти отношения», — сказал Паркер. «В этом случае мы вернулись к никогда не проверенному наблюдению о спиральной структуре ламинарной архитектуры сердца. К счастью, профессор Саллин опубликовал теоретическое предсказание более полувека назад, и мы смогли построить новую производственную платформу. это позволило нам проверить его гипотезу и ответить на этот многовековой вопрос».
Команда также продемонстрировала, что процесс можно масштабировать до размеров настоящего человеческого сердца и даже больше, до размера сердца малого полосатика (они не засевали более крупные модели клетками, так как для этого потребовались бы миллиарды клеток кардиомиоцитов).
