最新Science子刊：生物3D打印新突破！用光就能調控心臟組織

來源： EFL生物3D打印與生物制造

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

然而，生物3D打印組織用于心臟修復治療時，因缺乏與宿主組織動態(tài)交互能力，需外部電刺激調節(jié)。但傳統(tǒng)電刺激存在諸多弊端：依賴有線傳輸，操作繁瑣且限制設備移動性和靈活性，降低治療效率與便利性；需侵入性電極放置，會給患者帶來痛苦和創(chuàng)傷，有引發(fā)感染、出血等并發(fā)癥風險，長期植入還可能導致組織損傷和炎癥反應；還會對細胞造成潛在損傷，干擾細胞正常生理功能，影響細胞生長、分化和代謝，甚至致其死亡，進而影響生物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，美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校余存江（Cunjiang Yu）教授聯(lián)合哈佛醫(yī)學院張宇（Yu Shrike Zhang）教授團隊，開發(fā)了一種新型光電子刺激技術，為解決傳統(tǒng)電刺激的問題帶來了新的希望。相關研究成果以“Bioprinted optoelectronically active cardiac tissues”為題發(fā)表在《Science Advances》上。

關鍵創(chuàng)新點
創(chuàng)新組織構建：將微太陽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，無需電線和基因改造即可實現(xiàn)光調控心臟組織跳動。

安全有效刺激：光刺激能有效調節(jié)心肌細胞跳動速率，維持高細胞活力，對心電圖形態(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程

研究方法
材料制備：混合 GelMA 與微太陽能電池制備墨水，打印不同結構支架，優(yōu)化打印參數(shù)，并對墨水相關性質進行表征。
體外實驗：培養(yǎng) hiPSC-CMs 和 rCMs，分別與微太陽能電池共培養(yǎng)或接種到支架上，用多電極陣列監(jiān)測細胞場電位，研究光刺激影響。
體內實驗：構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，評估對心臟跳動的調控能力。

研究結果：材料制備
材料制備涵蓋微太陽能電池、光電子活性墨水及支架，為構建光電子活性組織打基礎，各材料性質和打印參數(shù)符合后續(xù)實驗要求。
微太陽能電池：在硅片上制造，有典型光伏特性，開路電壓約 0.5V ，532nm、100-ms 光脈沖照射下在 DPBS 溶液中產生約 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 與微太陽能電池混合而成，配方為 7wt% GelMA、0.25wt% LAP，微太陽能電池密度約 1300 個 /ml 。未交聯(lián)時存儲 / 損耗模量和粘度比純 GelMA 略高，交聯(lián)后壓縮模量（10.24±2.33kPa）低于對照組（16.59±2.43kPa），6 小時溶脹率增約 1000% ，6 小時加速降解率約 88%。微太陽能電池降解產物硅酸生物相容性好，墨水對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)對微太陽能電池分布的影響，確定用 25 號噴嘴、80-μm 微太陽能電池的最佳打印條件（線速度、溫度、壓力等）。打印的支架結構多樣，如模擬心臟結構的支架，可用于后續(xù)細胞實驗和體內研究，是構建光電子活性組織的有效載體。

圖 2. μ- 太陽能電池特性及對心肌細胞的直接刺激

研究結果：體外評估
研究者對光電子活性支架進行體外評估，體外評估圍繞生物相容性、調制能力以及對心電圖形態(tài)影響展開，驗證光電子活性支架在心臟治療應用中的可行性。結果顯示其在多方面表現(xiàn)良好，為心臟治療應用提供支持。

生物相容性評估
細胞活力與形態(tài)：經活 / 死染色和熒光顯微鏡觀察，hiPSC - CMs 和 rCMs 在光電子活性支架上 2 周內活力高，hiPSC - CMs 活力始終維持較好，表明支架細胞相容性佳，對細胞存活生長無明顯負面影響。

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

圖 3. 光電子活性支架上心肌細胞的活力及心臟標記物的表達

調制能力評估
細胞跳動速率調節(jié)：光刺激接種 hiPSC - CMs 的支架，1Hz 刺激四輪后，跳動速率從約 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%，證明支架能有效調節(jié)心肌細胞跳動速率。

同步化效果：激活熱圖顯示，多輪刺激下各通道激活時間縮短，心肌細胞跳動更同步，表明支架可增強心肌細胞間電信號傳導，促進跳動同步化。

圖 4. 光電子活性支架的體外評估

對心電圖形態(tài)影響評估：分析亞閾值刺激下 ECG 的 QRS 持續(xù)時間等參數(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，說明支架調節(jié)心肌細胞跳動時，對心臟正常電生理信號干擾小，保證心臟電活動穩(wěn)定。

研究結果：體內評估
主要探究光電子活性組織對活體大鼠心臟跳動的調控效果，證實其在體內能有效調節(jié)心臟跳動且對電生理活動影響小。

心率調控：將光電子活性組織（含微太陽能電池的支架與 rCMs 構成）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 分鐘內開始下降，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，停止刺激后心率回落。

心電圖變化：實驗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，與心率變化結果一致，證明光電子活性組織對心臟跳動的調控作用。同時，心電圖未出現(xiàn)明顯異常變化，說明該組織在調節(jié)心臟跳動過程中，對心臟電生理活動無不良影響。

對照實驗：將僅含打印 GelMA（無微太陽能電池）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。這凸顯微太陽能電池在光電子活性組織調節(jié)心臟跳動中的關鍵作用，只有含微太陽能電池的組織才能實現(xiàn)有效調控。

溫度影響：監(jiān)測發(fā)現(xiàn)光刺激過程中組織表面溫度雖有升高，但主要因光脈沖結束時熱量積累，溫度變化對心臟跳動調制無實質影響。

圖5. 光電子活性組織在活體大鼠心臟上的評估

挑戰(zhàn)與展望
目前研究處于概念驗證階段，面臨心肌細胞與光電子活性墨水未共打印、植入組織長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)；未來展望實現(xiàn)共打印、探索長期再生與整合、用近紅外光或染料增加穿透深度，推動在大動物模型及人類治療應用，拓展至可植入治療設備、組織工程和個性化醫(yī)學領域。