逆向工程心脏:研究人员创造生物人工左心室
多伦多大学应用科学与工程学院的研究人员在实验室培育了一个小型的人类左心室模型。这种生物人造组织结构是由活的心脏细胞构成的，跳动的强度足以将液体泵入生物反应器。
在人类的心脏,左心室是将新鲜的含氧血液泵入主动脉，再从主动脉进入身体的其他部位。新的实验室培养模型可以为研究人员提供一种新的方法来研究广泛的心脏疾病和状况，并测试潜在的治疗方法。
生物医学工程研究所的博士候选人Sargol Okhovatian说:“通过我们的模型，我们可以测量射血量——每次心室收缩时排出的液体量——以及这些液体的压力。”“这两项功能都是以前的机型几乎无法实现的。”
Okhovatian和Mohammad Hossein Mohammadi毕业于T大学，获得化学和生物医学工程硕士学位，他们是一篇新论文的共同主要作者先进的生物这描述了他们设计的模型。他们的多学科团队由Milica radiisic领导，Milica radiisic是化学工程和应用化学系的教授，也是这篇论文的资深作者。
这三名研究人员都是流体技术研究与应用中心(CRAFT)的成员。CRAFT是加拿大国家研究委员会和T大学之间独特的合作伙伴关系，拥有世界领先的专家，他们设计、制造和测试微型设备，以控制微米级的流体流动，这一领域被称为微流体。
“CRAFT的独特设备使我们能够创建像这样复杂的器官芯片模型，”Radisic说。
“有了这些模型，我们不仅可以研究细胞的功能这一切都不需要侵入性手术或动物实验。我们还可以用它们来筛选大量的药物候选分子库，以确定积极或消极的影响。”
组织工程师面临的许多挑战与几何有关:虽然它很容易生长人类细胞在二维环境中，例如，在一个扁平的培养皿中，结果与真实的人体组织或器官不太像。
为了进入三维空间，Radisic和她的团队使用了由生物相容性聚合物制成的微型支架。这些通常带有沟槽或网状结构的支架植入心肌细胞，并在液体培养基中生长。
随着时间的推移，活细胞生长在一起，形成一个组织。支架的底层形状或模式鼓励生长中的细胞向特定的方向排列或伸展。电脉冲甚至可以用来控制它们跳动的速度心脏组织的训练馆．
对于生物人工左心室，Okhovatian和Mohammadi创造了一个由三片网状板组成的扁平支架。在支架上播种细胞并让它们生长大约一周后，研究人员将薄片绕着一个中空的聚合物轴旋转，他们称之为芯轴。
结果是:一个由三层重叠的心脏细胞同时跳动，将液体从末端的孔中泵出。试管的内径为0.5毫米，高度约为1毫米，相当于人类胚胎在妊娠19周时的脑室大小。
Radisic说:“到目前为止，只有少数尝试创建心室的真正3D模型，而不是心脏组织的平板。”
“几乎所有这些都是由单层细胞制成的。但真正的心脏有很多层，每一层的细胞都有不同的角度。当心脏跳动时，这些层不仅收缩，还会扭曲，有点像你扭曲毛巾来拧干里面的水。这使得心脏能够泵出比其他情况更多的血液。”
该团队能够复制这种扭曲的排列方式，方法是在他们的三个面板上每个面板上都有彼此不同角度的凹槽。
在与李仁科(Temerty医学院教授、多伦多综合研究所大学健康网络高级科学家)领导的实验室合作中，他们使用导电性导管测量了射血量和压力，该工具也用于评估在世患者的这些参数。
目前，该模型只能产生真正心脏射压的一小部分——不到5%，但Okhovatian说，考虑到模型的规模，这是可以预期的。
“我们的模型有三层，但真正的心脏应该有十一层，”她说。
“我们可以增加更多的层，但这使氧气难以扩散，所以中间层的细胞开始死亡。真正的心脏有血管来解决这个问题，所以我们需要找到一种方法来复制它。”
Okhovatian说，除了血管问题，未来的工作将专注于增加血管密度细胞以增加喷射量和压力。她还想找到一种缩小或最终移除支架的方法，这是真正的心脏所不具备的。
虽然概念验证模型代表了重大进展，但在实现功能齐全的人工器官之前，还有很长的路要走。
“我们必须记住，我们花了数百万年才进化出像人类一样复杂的结构心”,Radisic说。
“我们不可能在短短几年内对整个事情进行逆向工程，但随着每一次增量改进，这些模型对世界各地的研究人员和临床医生都变得更有用。”
“每个组织工程师的梦想都是培育出完全可以移植到人体内的器官，”Okhovatian说。
“我们离那个目标还有很多年，但我觉得这种生物人工心室是一个重要的踏脚石。”
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