据推测，心脏肌肉组织内的螺旋排列对于实现生理泵送效率很重要。然而，测试这种可能性是困难的，因为使用当前技术再现心脏肌肉组织的精细空间特征和复杂结构具有挑战性。
2022年7月7日，哈佛大学Kevin Kit Parker团队（Chang Huibin和刘綦涵为共同第一作者）在Science 在线发表题为“Recreating the heart’s helical structure-function relationship with focused rotary jet spinning”的研究论文，该研究报告了聚焦旋转喷射流纺丝法(FRJS)，这是一种增材制造方法，可以快速制造具有 3D 几何形状可编程对齐的微/纳米纤维支架。
用心肌细胞播种这些支架可以生物制造组织工程心室，与圆周排列相比，螺旋排列的模型显示出更均匀的变形、更大的心尖缩短和增加的射血分数。FRJS 在三个维度上控制纤维排列的能力为制造组织和器官提供了一种简化的方法，这项工作展示了螺旋结构如何有助于心脏性能。
心脏的肌肉组织以螺旋方式组织，左心室中的心肌细胞从左旋到右旋平稳地穿壁过渡。这种螺旋排列导致了“扭动”，这在 1669 年由 Lower 首次描述。在过去的半个世纪中，有人认为这种螺旋排列代表了对实现大射血分数 (EF) 至关重要的基本结构设计。
通过控制收集轴的角度与形状，可以制造两心室心脏模型（视频来自Science ）
尽管体内研究已被证明是一种强大的工具，无论是在定义这些结构特征方面，还是在将错位与心脏病和心室功能降低相关联方面，它们通常以蛋白质表达和代谢的伴随变化为特征，并且受限于它们控制心脏排列的能力。这使得很难区分生物分子和生物力学对心脏功能障碍的贡献。然而，了解螺旋结构如何促进心脏功能很重要，因为一些心肌病可能表现出适应不良的组织重塑，这可能导致肌肉组织的更多周向排列。
聚焦旋转喷射流纺丝法工作示意图（视频来自Science ）
为了研究螺旋肌肉排列对心脏功能的作用，有必要重建心脏的多尺度结构，包括受控排列和三维 (3D) 几何形状。在心脏中，螺旋排列由细胞外基质 (ECM) 蛋白（如胶原原纤维）支持，其直径约为一微米。使用 3D 挤压打印的方法已经证明了复制此类结构的重要里程碑，包括生产微生理设备、微血管系统和自发跳动的心脏模型。然而，在保持实际生产率的同时，再现增强肌肉排列所需的精细空间特征是困难的。
用于生产螺旋结构的聚焦旋转喷射流纺丝法（图源自Science ）
这是 3D 挤压打印的基本限制的结果，即吞吐量相对于特征尺寸迅速下降。以当前分辨率（约 250 μm 特征尺寸）打印 ECM 组件需要数小时到数天，但如果遵循当前的缩放趋势，以原始特征尺寸（1 μm）打印可能需要数百年。由于纤维纺丝技术可以以更高的吞吐量再现这些精细的空间特征，因此它们提供了一种潜在的解决方案，并且以前已用于设计组织支架，例如心脏瓣膜和心室模型。然而，与 3D 打印不同，纤维纺丝方法通常无法在保持受控对齐的同时重建复杂的 3D 几何形状。
利用聚焦旋转喷射流纺丝法打造的全尺寸心脏模型（图源自Science ）
该研究开发了聚焦旋转喷射流纺丝法 (FRJS)，这是一种增材制造方法，它使用离心喷射纺丝快速形成聚合物微/纳米纤维，然后通过受控气流进行聚焦和空间图案化。这种方法允许快速制造在三个维度上具有可编程纤维排列的纤维结构。由于纤维可用于指导组织形成，因此可以重建迄今为止通过当前生物制造技术无法获得的复杂解剖结构。
基于对 Sallin 心脏分析模型的研究，使用 FRJS 制造了左心室的螺旋排列 (HA) 和圆周排列 (CA) 组织工程模型，表明这些单层心室模型的生物力学与过去 50 年的理论预测是一致的。总的来说，这项工作揭示了如何使用基于 FRJS 的生物制造方法快速创建稳健的模型器官，并增加几何复杂性。
来源：iNature
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl6395
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