Sci.Adv.：生物列印光電活性心臟組織：無線心臟調控的突破

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生物列印技術近年來在組織工程和再生醫學領域取得了重要進展，尤其在心臟組織修復方面展現出巨大潛力。儘管生物列印的心臟組織在結構和功能上接近天然心肌，它們往往缺乏與宿主組織的動態互動能力，難以實現有效的電訊號傳導和同步跳動，從而限制了治療效果。為了解決這一侷限性，對列印的心臟組織的跳動行為進行電調控至關重要，助於維持其正常節律，還能促進其與宿主心臟的同步整合。然而，傳統生物列印組織缺乏自主電訊號，必須依賴外部電極進行電刺激，而現有的電極植入方法存在侵入性強、區域性組織損傷等問題，限制了其臨床應用。因此，開發一種能夠自主調節心肌細胞電活動的生物列印組織成為研究熱點。

美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校餘存江（Cunjiang Yu）教授聯合哈佛醫學院張宇（Yu Shrike Zhang）教授團隊以 “Bioprinted
optoelectronically active cardiac tissues“為題在Science Advances上發表最新研究，成功開發了一種光電活性生物列印心臟組織，透過光電刺激實現無線調控，為心臟病治療提供了新的可能（圖1）。

圖1. 光電活性生物墨水的組成與列印。結合微型太陽能電池與GelMA進行生物列印，並隨後接種心肌細胞的示意圖。

研究團隊創新性地開發了一種含微型太陽能電池與明膠甲基丙烯醯（GelMA）的光電活性墨水，並利用該墨水進行三維生物列印，形成不同結構的心臟組織支架。透過最佳化列印引數，包括噴嘴尺寸、微電池的大小及分佈密度，確保了列印結構的穩定性和生物相容性。實驗表明，支架中的微電池在光照條件下可產生區域性電場，能夠刺激心肌細胞，使其維持正常的電活動。材料測試結果顯示，該生物列印組織可在6小時內達到1000%的溶脹率，並在加速降解實驗中保持高達88%的穩定性，證明其在體內具有良好的降解特性，同時光電活性墨水的電學效能未受交聯過程的影響。

實驗進一步驗證了微電池在體外對心肌細胞的調控能力（圖2）。研究人員在多電極陣列系統中培養心肌細胞然後加入微電池，並對其進行光刺激。實驗發現，心肌細胞的跳動頻率從初始的57 BPM 提升至72 BPM（增加26%），而在相同光刺激條件下，大鼠心肌細胞也展現了類似的節律增強效果。此外，進一步研究發現，該光電活性支架可在1 Hz 的光刺激下使心率提升20%，並在1.2 Hz 條件下進一步提升至72 BPM（增長44%）。電生理記錄表明，光刺激未對心電訊號的整體形態造成明顯影響，確保了細胞電活動的穩定性，這表明該技術在非侵入式心臟調控方面具有較高的安全性和可行性。

圖2. 微電池在體外對心肌細胞的調控能力驗證。

為了驗證光電活性組織在體內的可行性，研究團隊在大鼠體內進行了實驗，將培養有大鼠心肌細胞的光電活性支架貼附於右心房表面，並進行光刺激（圖3）。實驗顯示，在5 Hz 光刺激下，大鼠的心率從280 BPM 提升至302 BPM（增加7.8%），並在停止刺激後逐漸回落至290 BPM。這一結果證實了微電池在調控心肌細胞電活動中的關鍵作用，並排除了光照導致組織溫度變化的影響。對照實驗表明，不含微電池的GelMA 組織在相同光刺激條件下未能引起心率變化，進一步證明了光電活性組織在無線心臟調控中的獨特優勢。

圖3. 光電活性組織在活體大鼠心臟上對心臟跳動的調控。

該研究的突破性成果在於首次實現了利用光電活性生物列印組織進行無線、非侵入式的心臟調控。該技術不僅避免了傳統電極植入帶來的創傷和炎症，還為個性化心臟修復提供了新的可能。未來，該方法有望應用於心律失常、心力衰竭等疾病的治療，並擴充套件至神經、肌肉等其他電活性組織的調控。隨著研究的進一步推進，這一光電活性生物列印組織有望成為再生醫學和生物電子醫療領域的重要突破，為心血管疾病患者提供更安全、高效的治療方案。

該文章的通訊作者為美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的餘存江教授和哈佛醫學院張宇（Yu
Shrike Zhang）教授。文章的第一作者是餘教授課題組成員Faheem Ershad博士 (現為美國休斯頓大學助理教授)，論文共同第一作者為餘教授課題組的博士後饒州鋁博士和張宇（Yu Shrike Zhang）教授課題組的Sushila Maharjan博士。其他主要作者包括美國德州心臟研究所的Fernanda C. Paccola Mesquita博士，Ernesto
Curty da Costa博士，Angel Moctezuma-Ramirez博士，Camila Hochman-Mendez教授和Abdelmotagaly Elgalad教授，賓夕法尼亞州立大學的練小軍（Xiaojun Lance Lian）教授，以及西湖大學的楊健（Jian Yang）講席教授。