跳动的心脏补丁大到足以修复人类心脏

杜克大学(Duke University)的生物医学工程师创造出了一种功能完整的人造心肌，它足够大，可以修补心脏病发作患者的典型损伤。这项进展向修复人类病人死亡心肌的最终目标迈出了重要的一步。

这项研究发表在自然通讯2017年11月28日。

“现在，几乎所有现有的治疗方法都旨在减轻已经造成的损伤造成的症状心杜克大学(Duke University)生物医学工程博士生、该研究的第一作者伊利亚·沙德林(Ilya Shadrin)表示:“我们发现，在人类的大脑中，没有一种方法可以替代失去的肌肉，因为一旦肌肉死亡，它就不能自己长回来。”“这是一种我们可以用组织在身体外面。“

与某些人体器官不同，心脏病发作后心脏不能自我再生。坏死的肌肉通常被疤痕组织取代，疤痕组织不能再传递电信号或收缩，而这两者对于平滑有力的心跳都是必要的。

最终的结果是一种通常被称为心力衰竭的疾病，影响着全球超过1200万名患者。沙德林和他的顾问、杜克大学生物医学工程教授奈纳德·布尔萨克(Nenad Bursac)正在开发的新疗法，是预防心力衰竭及其致命并发症的必要手段。

目前的临床试验正在测试将源自骨髓，血液或心脏的干细胞的策略直接进入受影响的部位，试图补充一些受损的肌肉。虽然这些治疗似乎似乎存在一些积极的影响，但它们的机制尚不完全理解。少于一个百分之一的注射细胞存活并保留在心脏中，甚至较少变为心肌细胞。

另一方面，心脏补丁可以被植入死亡的肌肉上，并在很长一段时间内保持活跃，为收缩提供更多的力量，并为心脏电信号的传导提供一个平滑的路径。这些补丁还能分泌酶和生长因子，帮助尚未死亡的受损组织恢复。

然而对于这种方法的工作，心有灵犀补丁必须足够大才能覆盖住感染的组织。它也必须和原生的一样强壮和具有电活性心脏组织，否则这种差异可能会导致致命的心律失常。

这是第一个符合这两个标准的人类心脏补丁。“创建个人心肌细胞是非常普遍的，但人们一直专注于培养用于药物开发的微型组织，”布尔萨克说。“把它扩大到这么大的规模是从未有人做过的事，这需要很多工程上的独创性。”

心脏贴片的细胞从人多能干细胞生长 - 细胞可以成为体内任何类型的细胞。Bursac和Shadrin用许多不同的人干细胞成功地制造了贴剂，包括衍生自胚胎的那些，并且人为地强迫或“诱导”进入其多能状态的那些。

这些干细胞可以培养出各种类型的心脏细胞:心肌细胞，负责肌肉收缩的细胞;成纤维细胞，为心脏组织提供结构框架的细胞;和内皮平滑肌细胞即形成血管的细胞。研究人员将这些细胞以特定的比例放入果冻状物质中，它们在那里自我组织并长成有功能的组织。

为了找到合适的细胞、支撑结构、生长因子、营养物质和培养条件的组合，使人体心脏组织长成大的、功能齐全的补丁，该团队花费了数年的工作。每个容器和过程都必须从零开始进行调整和设计。把所有这些结合在一起的关键是一点摇摆和摇摆。

Shadrin说:“事实证明，摇晃样品，让它们洗澡和泼水来改善营养传递是极其重要的。”“与静态样本相比，我们在摇滚培养基中获得的结果要好3到5倍。”

结果改善了研究人员之前的贴片，其为一个平方厘米和四平方厘米。它们成功缩放了16平方厘米，厚度为16至8个细胞。试验表明，贴片中的心肌是完全函数的，具有类似于正常健康的成年心脏的机械和结构性。

布尔萨克说:“这是非常困难的，因为组织越大，就越难在整个过程中保持相同的特性。”“同样具有挑战性的是，要让这些组织在五周内迅速成熟到成人的强度，同时达到正常人体需要数年才能达到的性能。”

Bursac和Shadrin已经证明，当植入小鼠和大鼠心脏时，这些心脏补丁存活下来，变成有血管的，并保持它们的功能。然而，要想让心脏补丁真正取代人类病人死亡心肌的工作，它需要比在这项研究中生长的组织厚得多。为了让补丁长得这么厚，它们需要血管化，这样细胞在内部可以得到足够的氧气和营养。即便如此，研究人员也必须弄清楚如何将心脏补丁与现有的心脏补丁完全整合肌肉．

沙德林说:“像这样的全面整合真的很重要，不仅可以改善心脏的机械泵送，还可以确保电波的平稳传播，并将心律失常的风险降至最低。”

布尔萨克补充说:“我们正在积极努力，就像其他方面一样，但就目前而言，我们很高兴能弄清楚‘规模问题’。”

该研究是七年的一部分，从国家卫生机构获得860万美元。随着大型心脏补丁，Bursac团队与伯明翰大学的研究人员合作开发成功将贴片整合到猪的心中的程序。威斯康星大学麦迪逊大学的另一个研究人员正在努力发展改善干细胞为了创造构成这些心脏补丁的主要细胞类型，希望最大限度地减少对传递的工程组织的免疫反应。

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