Adv Sci 苏州大学胡士军团队揭示3D打印心肌特异性结构促进工程化心肌组织成熟和心梗治疗中的作用

人诱导多能干细胞衍生心肌细胞(hiPSC-CMs)和工程化心肌组织(EHTs)已成为心血管研究和心肌损伤修复的重要工具。目前，hiPSCs在心血管领域的临床转化应用仍存在以下障碍：(1) hiPSC-CMs的成熟度低，难以实现与宿主心肌结构和功能的整合；(2) EHTs目前难以准确模拟人类心肌的天然结构特征。

2025年1月22日，来自于苏州大学和青岛理工大学等单位的合作研究团队利用微型3D打印技术模拟猪心肌纤维的天然排列特征，成功构建了层间角为45°的多层3D微孔聚己内酯(PCL)支架，发现该45° PCL 3D支架可有效促进hiPSC-CMs的成熟，提高工程心肌组织治疗心肌梗死的疗效。研究成果以“3D-Printed Myocardium-Specific Structure Enhances Maturation and Therapeutic Efficacy of Engineered Heart Tissue in Myocardial Infarction”为题发表在Advanced Science杂志上，为心肌再生修复提供了新思路。 

研究人员首先分析了猪心脏组织中心肌纤维的排列特点和方式，发现肌纤维层间多以30°至55°角排列。因此，该研究以45°角为基准，采用微型3D打印技术制备了45° PCL 3D多孔支架。 

通过与2D心肌培养对照及90° PCL支架对比，研究人员发现45° PCL支架能更好的促进hiPSC-CMs成熟：45° PCL支架上hiPSC-CMs排列更为有序，表现出类似于天然心脏的纤维排列；与心肌收缩偶联的钙处理能力也显著提高。 

RNA-seq结果表明，与2D心肌培养相比，3D PCL支架主要通过调节ECM功能和组成来促进hiPSC-CMs的成熟。与90° PCL相比，45° PCL主要影响心脏发育、心脏收缩和心肌组织发育等相关基因，如BMP2、WNT2、TBX18 和 TBX2 的表达水平显著增加。同时，45° PCL也促进了心脏收缩和心脏收缩调节相关基因的表达，如 KCNIP1、ATP1A2、KCNQ1、ATP1B2、CACNA1G 和 KCNIP2。这些结果表明，与 90° PCL相比，45° PCL主要通过调节心脏发育和离子通道基因的表达来促进hiPSC-CMs的成熟。

 随后，研究人员将hiPSC-CMs、内皮细胞和间充质细胞按比例组合培养到45° PCL支架中，构建了具有心肌特异性结构的多细胞3D工程化心脏组织。该EHTs中的hiPSC-CMs同样表现出有序的生长方向和更成熟的心肌表型。 

最后，团队将具有心肌特异结构的EHTs移植到心梗小鼠的梗死区表面，发现EHTs能够显著改善心梗小鼠的心功能，左心室射血分数(LVEF)、左心室缩短分数(LVFS)、左心室舒张末期内径(LVIDd)、左心室收缩末期内径(LVIDs)均得到不同程度的改善。EHTs移植治疗也显著减少梗死面积和胶原沉积，增加心脏梗死区壁厚。此外，EHTs能增强梗死区缝隙连接的形成，并促进了心肌梗死区域的血管生成。 

综上所述，研究人员基于心脏生理结构特征构建了一种45°多层3D PCL支架，该心肌结构特异性3D支架显著提高了hiPSC-CMs的结构成熟度和钙处理能力；以此为基础构建的多细胞EHTs可促进心梗区血管再生，增强细胞间连接，改善心梗小鼠的心功能。研究工作为工程化心脏组织在心血管再生医学中的应用提供了思路和方法。

苏州大学心血管病研究所胡士军教授为通讯作者。苏州大学心血管病研究所博士后吴永、博士研究生王亚宁、副研究员肖淼、青岛理工大学张广明副教授和苏州大学心血管病研究所硕士研究生张飞翔为共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委等项目的资助。

原文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202409871