实录第22届波士顿大学光电子中心心血管组织工程前沿研讨会

远在半个地球外的思小宇又冒泡了~^.^~

一、前言

11月29日，小编来到了一年一度心血管组织工程的年会现场，在这里，汇集了美国顶级学术大咖，在波士顿大学的光电子中心进行心脏组织工程领域的学术汇报。不如就借用波士顿大学工程学院院长的开场致辞来介绍本次年会的目的吧：

波士顿大学工程学院院长Kenenth Lutchen致辞

“欢迎大家来参加第22届心脏组织工程前沿研讨会！如今生物医学工程正在蓬勃发展，很多产品已经进入市场，为人类健康带来福音。但如今组织工程领域仍未在医学界有许多成熟的产品与应用，我们不禁深思，这是由于什么导致的呢？是因为组织工程这个领域还处于新生领域的时期，在技术、理念层面还未被医学界，工业界所领悟与认可。”

“现在这个时期，正是组织工程领域重要的转折点，研究结果不断涌现，逐渐靠近医疗产品转化的道路。未来将会有许许多多组织工程产品进入医学领域并得以运用， 3D打印、组织修复，还是器官重建……我们今天有幸邀请到了组织工程学术界的诸位杰出学者，在这里为我们介绍当今最先进的组织工程学术进展，我再此真诚地感谢各位的参与！”

小编真的很荣幸能作为BU的学生免费参加这次的学术会议~领略了这个领域最顶尖的研究！现在就让我们一起看看，心脏组织工程的最新进展~

二、心脏组织工程前沿进展

小编会给大家分享六位学术界顶尖学者的研究进展。虽然本次会议是心血管年会，内容仅限心血管领域。但大佬们不只涉足心血管领域喔，各个领域融会贯通，那才是真正的大佬，快看看，就是下面这些人！

（一）Gordana Vunjak-Novakovic, PhD, Professor, Columbia University

Gordana Vunjak-Novakovic, PhD, 

Professor, Columbia University

1. “Cancer Patient on Chip”特制癌症器官芯片

Gordana组用了三年时间，用iPS细胞诱导出心脏、肿瘤、肝脏、骨、肺五种组织，之后与波士顿大学的Christopher Chen（这是大佬中的大佬！）合作构建了特殊的芯片，能够允许血液在下方通道内持续流动，为上方的一种或多种患者特异性组织提供营养，这种特殊的芯片能够允许下方的“血液”和上方的组织进行分子传递。除此之外，我们还可以通过在血液槽中注入药物，观察检测器官后续的生理变化，进行药物的检测，相信这对于研究者来说是一大福音了！

特制器官芯片

2. “Human Heart Muscle”人心肌组织构建

Gordana组用很年轻只有28天的iCM（初始心肌细胞）进行心肌组织的构建，将其培养在两个电极柱之间悬挂的特殊生物材料膜上，未分化时组织块直接就能收缩，通过训练这些初始心肌细胞搏动，Gordana他们施加了不同的电场和频率，1个月之后几乎所有细胞都会分化并且获得和心肌细胞一样的表现型，以及规则的排列方式 。

心肌细胞组织工程培养

3. “Exosome Therapy of Heart”心脏疾病的外泌体疗法

最近外泌体真的很火，据预测近几年外泌体或许将成为药物研发的重要载体！Gordana组运用细胞分泌外泌体的机制，研究出了治疗心脏病的药物疗法。用IPS细胞诱导出iCM（初始心肌细胞），获取其分泌的外泌体，并收集在胶原水凝胶载体中，植入心脏以治疗疾病，通过动物实验检测心脏的活力。

结果表明植入含有iCM、iPS外泌体的胶原载体，可以减小心梗的严重程度，延迟其坏死的速度。其中iCM分泌的外泌体对于治疗心脏损坏有最好的效果。并且此种疗法也能减少心肌细胞的凋亡。这种方法可以制备药物来预防或治疗心脏疾病，从而替代操作复杂成本高的细胞疗法。

（二）Nenad Bursac, PhD, Duke University 

Nenad Bursac, PhD, Duke University 

Nenad为我们介绍了心脏病组织工程的一般疗法：用iPS细胞诱导分化出心肌细胞，将其培养在一块材料上，形成一片心脏组织，通过植入这个心脏组织片到体内，与体内组织进行物质运输与传递，改变生物原有性状，从而来达到治疗的效果。

但是这种方法受到了各种方面的限制：心肌组织片的成熟以及功能获取，再生能力，尺寸限制，血管网络的内部生成，体内移植与整合，分子运输以及方法的简易性和经济效益都使得这项技术还无法得以应用。

在此，Nenad课题组对其中几个问题已经进行研究：

1. 心肌组织的成熟

在生物材料薄膜上培养三周得到一整个心肌组织片，通过基因表达水平和心脏组织收缩力的检测，可以得出组织片能够达到正常成熟心肌细胞各项参数的2/3。在此Nenad组运用了弹性边框来培养心肌组织片，能够不影响对培养得到的心肌组织片力学功能测量的结果。

弹性组织片边框

2. 组织片中血管网络生成

在裸鼠体内植入心肌组织片进行动物实验，一段时间后可以观察到组织片中有血管组织的生成，6周后就生长为较为成熟的血管网络。毛细血管是能够自发在体内生成血管网络并且提供营养，这种生物材料能生成毛细血管，可见是拥有很高的生物相容性了！

3. 动物实验

将已经血管网络化的组织片植入裸鼠体内，能够诱导接触面血管网络的生成（也就是移植物和宿主组织之间有了营养可运输的联系啦），以及能够通过实时观测，观察到NSG鼠自身的血液能够在组织片中流动。

已血管化的组织片植入NSG鼠后血管网络融合

血液在组织片中流动

4. 功能检验

通过给宿主心脏组织染绿色，人心肌组织片染红色，给予电击实验，观察其收缩功能。可以观察到，人的心肌组织片仍未与鼠心脏组织贴合在一起（尽管有血管网络支持血液在其间流动），人的组织片能够在宿主体内搏动，但是会有延迟，往往在实验老鼠原有心脏组织搏动后一段时间才会搏动。

Nenad课题组正在致力于对其他问题进行进一步的研究，未来结果让我们共同来期待！

（三）Christopher Chen, MD, PhD, Professor, Boston University 

Christopher Chen, MD, PhD, Professor, Boston University 

1. “Mechanical Controlled Tissue Morphogenesis”力学改变细胞形态

让细胞生长在两个电极之间，通过施加电击，可以观察到心肌细胞收缩。如果没有力学施加，细胞则会杂乱生长。通过黏着斑染色可以观察到细胞在材料上的粘附情况。

力学改变细胞生长形态

2. “Test Beds”实验芯片——实验的温床

构建微型实验芯片来检测血管网络的生成，血管网络能够在细胞外基质（ECM）中构建，且原本的实验通道“人造微型血液通道”仍然能够保持“血液”流通。这个装置也用来检验内皮细胞的屏障功能，内壁的洁净程度以及血液剪切力对内皮细胞的影响。通过对细胞内信号传递的探究，Chen等人还发现了Notch通路对于血管内皮细胞的功能有调控作用。

微型实验芯片探究内皮细胞功能

3. “Vascular Capillary Vascularization in Vivo”体内血管网络重建

通过选取不同生长素、细胞、材料、直接构建等不同变量来进行血管体内生成实验。用3D 打印制作出300μm直径的简易血管网络立方块，植入小鼠体内。通过荧光分子标记可以实时检测出14D时，人工血管网络已经能够和小鼠自身的血管网络相通，人工血管中自带的荧光标记分子已经在小鼠自身血管网络中流通（人造血管除了可以保证物质管道内运输，还有管道内外小分子物质扩散的功能）。

4. “Lymphatic System(beyond blood vessels)”淋巴系统也能重建

将血管和淋巴管共同培养在胶原基质中，血管因为四周的作用力而被挤压，收缩，以至于关闭了与外界物质交换的通道；反之，淋巴管却膨胀，扩张，打开了自身表面通道，释放出其中的物质。基于这样的实验结果，Cheng组进行了动物实验，表明淋巴管芯片也拥有物质释放，治疗疾病的功能。

淋巴管体外重建

Chen教授还说： 如今我们正处于这样的局面，心血管组织工程领域有很多方向可以进行研究，而我们如今最大的困难就是将理论变为实际应用，我们研究者们需要集合起来将体外的实验努力做向实际的体内临床应用！

（四）Charles Murry, MD, PhD, Professor, University of Washington 

Charles Murry, MD, PhD, Professor,

 University of Washington

心脏病对于人类的危害很大，它不仅是全球致死疾病的第一名，也是美国住院或者诊疗疾病的第一名。心脏病之所以难以治疗是因为心肌受损不会自动愈合，愈合时只能形成疤痕组织。心脏病是发展中的慢性疾病，发病后5年内只有50%的存活率。Charles教授已经致力于干细胞心脏再生疗法15年！

1. “Macaque Heart Regeneration”猕猴心脏再生实验

通过研究与实验的不断优化，Charles等人已经获得了惊人的研究成果。他们用生物反应器来培养中胚层的细胞并分化形成心室细胞，并且能够保证干细胞只要进入猕猴心脏，就一定能移植成功；移植组织和宿主组织拥有电耦合作用；干细胞能够成功分化，拥有心脏搏动的功能。

对于移植效率的探究，Charles组运用多种功能检测以及成像技术（大部分都是MRI），伴随着数个大型动物的心脏梗死（大佬和小编都TAT心疼）为人类健康事业带来了非常有前景的研究结果。研究表明移植到猕猴体内的人心肌细胞，几周之后能够成功在体内跳动。通过对其功能检测与比对，得到干细胞移植后，能够稳定地显著地提高心脏的血液泵出功能。

移植后一个月，移植细胞有90%分化为成熟心肌细胞，此时移植细胞与宿主细胞之间还未融合；移植后三个月，99%的移植细胞分化成熟，移植细胞与宿主细胞之间已经融合在一起没有空隙。

移植后一个月和三个月对比图

特异性基因表达有明显的差别

现场提问：为什么不用小型动物，而是用猴来做实验呢？因为猴的心率和人类相近，小型动物心脏跳动平均在每分钟200次，这有可能会因为过度使用移植组织而造成不可逆的损坏。

（五）Jennifer Lewis, PhD, Professor, Harvard University 

Jennifer Lewis, PhD, Professor, Harvard University ；

生物3D打印领军人物

1. “Instrument Heart on Chip”基于仪器构建的心脏芯片

运用3D打印的方法，一层一层将心脏芯片上所需的物理、化学物质均匀排布，得到一个拥有力学、化学适配性的心脏芯片功能单元。通过将细胞接种（细胞和细胞外基质的混合物作为墨水，通过3D打印接种在芯片上）在这批量化制作的心脏芯片单元上，我们能够看到心肌细胞在组织薄膜上的功能性收缩。

一层一层“涂抹”各种细胞生长所需物质

这种芯片能够提供研究者们进行心脏疾病模型的建立，药物检测以及疾病疗法的建立等工作。

2. “Revolutionary Technologies”三种支持器官重建的前沿技术

目前有三种非常前沿的技术能够为器官重建带来革命性的进展：iPS诱导多能干细胞的使用，类器官的构建，生物打印技术的革新。而Jennifer教授重点研究并介绍了3D生物打印的革新。

在类胶体物质中将3D打印探头浸没，直接进行血管的3D打印，通过胶体物质的力学支撑，保证打印出的材料不会散架，我们可以得到不同直径，复杂的人工血管网络。这项技术可以帮助我们制作出病人特异的器官组织，使得重建的器官、组织与病变部位正好适配。

浸入式3D打印构建血管网络

3. “Sacrificial Ink”牺牲墨水

“牺牲墨水”，外部与是生物活性物质包裹，能够扩散小分子的生物“牺牲”墨水，在低温下在有生物组织的基质中进行3D打印，构建内部空腔的分子可扩散的血管组织，打印结束后恢复温度固化形成有力学性质的人工血管网络。通过实验可观测到这种血管网络可以扩散小分子物质，也可以隔绝大分子物质的传递。

在含有细胞、ECM的混合物中直接打印人工血管

器官重建过程：在特殊批量化制备的芯片上构建多个细胞团，获取后共同培养，一周后能观察到细胞团合并，产生明显类心跳搏动，用3D凝胶在细胞团中打印出分子可扩散性的血管，数周后观察到细胞团收缩能力显著上升。

器官重建大致流程

Jennifer教授如今正在致力于构建病人特异性心脏组织，力求将技术真正应用于临床。让我们来共同期待！

该课题组的实验平台

（六）Emilia Entcheva, PhD, Professor, George Washington University

Emilia Entcheva, PhD, Professor, 

George Washington University

Emilia主要致力于光学与光遗传学进行心脏组织电化学分析的研究，通过给予傅里叶变换等理论的电脑模型来分析细胞、组织中生物电压、电荷的变化。其中，蓝光刺激细胞，绿光是钙离子感受器（生命活动能量来源直接相关的离子），红光是膜电压感受器。这种技术不直接接触细胞，是仅仅通过光学检测来获取细胞电化学信息的。

检测装置原理图

随着心血管疾病研究的进行，对于心血管电生理变化的检测越来越普遍，但是价格昂贵，而这项技术能大大减少开支，是一种操作简易、经济效益高的检测方法，可以同时在一个芯片上检测4000个结果，实验结果的灵敏度能够达到89%。

技术各项参数

通过这个技术，科学家可以观测出人造心血管系统的电生理变化，有助于优化iPS-CM（诱导多能干细胞分化的初始心肌细胞）的诱导分化步骤，还可以进行药物的检测与升级。

除此之外，这项技术也能进行其他的工作：例如可以探究细胞间耦合的信号传递过程；可以进行较长时间的持续检测，例如慢性心脏疾病超过96h的检测；可以观测人诱导多能干细胞的分化与离子通道的构建的过程，进行动态波（比如心脏跳动信号~）的探测；也能够检测光控制的基因工程改变表观遗传特性。

当然，最重要的是，它能帮我们检测到我们想要的东西，还省了一大笔钱！

三、小编随笔

小编本科就是做组织工程的，到美国后能够深深地感受到国内外研究水平的差距，主要是资源、眼界。出国留学的意义对我们来讲，真的是增长自己在一个领域内的见识，去理解并了解从前根本想不到的东西，才有可能跟上时代的脚步去进行创新。我们在哪里并不重要，重要的是我们需要认清差距，并且为之而努力，固步自封，永远不可能前进……