心脏功能的现代概念始于17世纪的英国生理学家William Harvey，他发现了血液循环和心脏的功能，其贡献是划时代的。他在 1628 年解释说，血液是通过圆形纤维的收缩从心室排出的。他认识到并非所有纤维都是圆形的，并指出“所有螺旋排列的纤维在收缩时都会变直”。到了17世纪中叶，人们推测扭转对于心脏泵血效率具有功能重要性（类似于拧干湿布）。螺旋结构重要性的进一步间接证据来自衰竭的心脏，其中由于先天性缺陷、高血压、缺血或纤维化导致的结构异常会改变左心室扭曲并与泵血能力受阻有关。然而，很难具体评估心脏的螺旋结构对其功能（或功能障碍）的贡献程度，因为心力衰竭是一种多方面的疾病，药物治疗是控制症状而不是修复潜在的缺陷。心脏再生能力有限导致了组织工程解决方案。为此，理解和复制心脏的螺旋结构-功能关系被认为是重要的一步。心脏的泵送作用来自心肌细胞，心肌细胞是心脏的微米大小的肌肉细胞，它们能产生厘米大小的机械收缩，并在 100 mmHg 的压力下从心室泵出 70 ml。心肌细胞被组织成包裹心室的螺旋纤维。螺旋纤维的有序、电起搏收缩会导致心腔收缩以排出血液，但也会扭转。从机械的角度来看，心力衰竭是由于泵血不足或心脏太硬而无法充盈的结果。修复受损心脏的再生医学方法很有前景，但需要设计原则来再现原生心脏功能并解决全球心力衰竭逐增的问题。鉴于此，哈佛大学Kevin Kit Parker等人介绍了一种新的制造工艺，即聚焦旋转喷射纺丝(Focused Rotary Jet Spinning, FRJS)，以创建具有规定的微尺度聚合物纤维排列的三维人体心脏结构。成果发表在Science上！
FRJS技术是基于旋转喷射纺丝，在旋转喷射纺纱中，离心力将聚合物溶液通过细喷嘴排出，形成自由浮动的纤维，随着聚合物溶剂的蒸发而固化。在该研究中，喷气流将挤出的纤维对齐并聚焦，将其沉积在收集结构（模具）上。通过控制模具的形状和旋转，可以快速形成具有特定微米级纤维方向的复杂器官级3D支架，然后将细胞接种在结构上。由于 FRJS 需要具有凸面的模具，因此无法将完整的人类心脏作为单一结构生产，而是需要组装和融合四个独立的腔室。单片心脏可以通过3D 挤压进行生物打印，但这不能提供 FRJS 的吞吐量或空间分辨率。FRJS 还改进了静电纺丝和其他无法创建具有相同几何复杂性或制造速度的 3D 结构的纤维纺丝方法。
研究人员利用 FRJS 的独特能力来重新审视螺旋肌结构是否能改善心室功能。他们构建了具有单层螺旋或周向排列的明胶纤维的椭圆形心室。纤维方向基于一个分析模型，该模型预测螺旋纤维更大的射血分数（每次心跳从心室射出的血液分数）。来自大鼠新生儿的心肌细胞或来自接种在支架上的人诱导的多能干细胞的心肌细胞通常与纺成的纤维对齐，产生定向的、跳动的、但仍在发育的心肌。当电起搏时，与环向纤维相比，具有螺旋纤维的工程心室沿心室长轴显示出更高的传导速度、更均匀的变形、更大的扭曲以及增加的心室输出。
研究人员还构建了三层的双心室模型，每一层都有不同的螺旋排列，比单层椭球模型更能代表天然的人类心脏。虽然没有证明机电耦合是避免心律失常的必要条件，但接种心肌细胞的双心室模型收缩并显示钙波沿表面纤维方向传播。这在实验上证明了电波传播和机械收缩对心肌纤维方向的依赖性，心肌纤维方向已被预测并纳入心脏计算模型。
尽管该研究为组织生物制造和心脏结构-功能关系的理解提供了重要的进展，但这些概念验证模型还不足以证明心脏的固有功能。特别是，工程化单心室的射血分数比健康人类心脏的射血分数要低得多（充其量约为原生心室的6%）。有效的心脏收缩涉及心脏的多尺度结构、组织的机械特性和嵌入心肌细胞收缩之间的相互作用，所有这些都可能是本研究的限制因素。尽管有螺旋结构，工程心室的扭转和缩短程度低于天然心脏。在扩散张量磁共振成像和其他成像方法的指导下，进一步优化纤维结构，可以实现更大的扭转收缩。本研究中旋转支架的力学行为也与天然心肌不匹配。心肌由包裹在交叉卷曲胶原纤维网络中的肌纤维组成，在低应变下承受的负荷很小。因此，心肌在低应变时变软，在高应变时随着胶原纤维的展开而变硬。相比之下，FRJS产生的是直的、成束的纤维，当加载时，这些纤维会不断啮合并变硬，因为它们不会复制胶原纤维的纳米级结构。刚性支架既能抵抗收缩，又能减少心肌细胞产生的收缩力。使用相对较少的未成熟心肌细胞会加剧这种效应。通过特殊培养基或培养基质使心肌细胞成熟的新策略将提高其收缩性，但同时也可能需要软化支架以实现生理功能。其他生物打印方法，如熔融电书写，可以通过精确控制单纤维微结构产生类似软组织的力学，但不适用于复杂的3D组织几何形状或FRJ的速度。这仍然是一个挑战：在保持FRJ的多功能性和吞吐量的同时，能否实现超越本文研究所证明的空间尺度的分层组织？为了实现生物工程心脏，仍然需要与血液相容的脉管系统、电传导系统和避免免疫反应的手段。代谢活跃、细胞密集的大型器官需要大量细胞（不同类型）和大量氧气。因为，心脏不仅仅是一个简单的泵。尽管如此，本研究已经朝着制造生物力学等效的功能结构迈出了一步。H. Chang et al., Recreating the heart’s helical structure-function relationship with focused rotary jet spinning. Science 377, 180 (2022)DOI: 10.1126/science.abl6395https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl6395
