Sci. Adv.: 生物打印光电活性心脏组织：无线心脏调控的突破

生物打印技术近年来在组织工程和再生医学领域取得了重要进展，尤其在心脏组织修复方面展现出巨大潜力。尽管生物打印的心脏组织在结构和功能上接近天然心肌，它们往往缺乏与宿主组织的动态交互能力，难以实现有效的电信号传导和同步跳动，从而限制了治疗效果。为了解决这一局限性，对打印的心脏组织的跳动行为进行电调控至关重要，助于维持其正常节律，还能促进其与宿主心脏的同步整合。然而，传统生物打印组织缺乏自主电信号，必须依赖外部电极进行电刺激，而现有的电极植入方法存在侵入性强、局部组织损伤等问题，限制了其临床应用。因此，开发一种能够自主调节心肌细胞电活动的生物打印组织成为研究热点。

美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校余存江（Cunjiang Yu）教授联合哈佛医学院张宇（Yu Shrike Zhang）教授团队以 “Bioprinted optoelectronically active cardiac tissues“为题在Science Advances上发表最新研究，成功开发了一种光电活性生物打印心脏组织，通过光电刺激实现无线调控，为心脏病治疗提供了新的可能（图1）。

图1. 光电活性生物墨水的组成与打印。结合微型太阳能电池与GelMA进行生物打印，并随后接种心肌细胞的示意图。

研究团队创新性地开发了一种含微型太阳能电池与明胶甲基丙烯酰（GelMA）的光电活性墨水，并利用该墨水进行三维生物打印，形成不同结构的心脏组织支架。通过优化打印参数，包括喷嘴尺寸、微电池的大小及分布密度，确保了打印结构的稳定性和生物相容性。实验表明，支架中的微电池在光照条件下可产生局部电场，能够刺激心肌细胞，使其维持正常的电活动。材料测试结果显示，该生物打印组织可在6小时内达到1000%的溶胀率，并在加速降解实验中保持高达88%的稳定性，证明其在体内具有良好的降解特性，同时光电活性墨水的电学性能未受交联过程的影响。

实验进一步验证了微电池在体外对心肌细胞的调控能力（图2）。研究人员在多电极阵列系统中培养心肌细胞然后加入微电池，并对其进行光刺激。实验发现，心肌细胞的跳动频率从初始的57 BPM 提升至72 BPM（增加26%），而在相同光刺激条件下，大鼠心肌细胞也展现了类似的节律增强效果。此外，进一步研究发现，该光电活性支架可在1 Hz 的光刺激下使心率提升20%，并在1.2 Hz 条件下进一步提升至72 BPM（增长44%）。电生理记录表明，光刺激未对心电信号的整体形态造成明显影响，确保了细胞电活动的稳定性，这表明该技术在非侵入式心脏调控方面具有较高的安全性和可行性。

图2. 微电池在体外对心肌细胞的调控能力验证。

为了验证光电活性组织在体内的可行性，研究团队在大鼠体内进行了实验，将培养有大鼠心肌细胞的光电活性支架贴附于右心房表面，并进行光刺激（图3）。实验显示，在5 Hz 光刺激下，大鼠的心率从280 BPM 提升至302 BPM（增加7.8%），并在停止刺激后逐渐回落至290 BPM。这一结果证实了微电池在调控心肌细胞电活动中的关键作用，并排除了光照导致组织温度变化的影响。对照实验表明，不含微电池的GelMA 组织在相同光刺激条件下未能引起心率变化，进一步证明了光电活性组织在无线心脏调控中的独特优势。

图3. 光电活性组织在活体大鼠心脏上对心脏跳动的调控。

该研究的突破性成果在于首次实现了利用光电活性生物打印组织进行无线、非侵入式的心脏调控。该技术不仅避免了传统电极植入带来的创伤和炎症，还为个性化心脏修复提供了新的可能。未来，该方法有望应用于心律失常、心力衰竭等疾病的治疗，并扩展至神经、肌肉等其他电活性组织的调控。随着研究的进一步推进，这一光电活性生物打印组织有望成为再生医学和生物电子医疗领域的重要突破，为心血管疾病患者提供更安全、高效的治疗方案。

该文章的通讯作者为美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的余存江教授和哈佛医学院张宇（Yu Shrike Zhang）教授。文章的第一作者是余教授课题组成员Faheem Ershad博士 (现为美国休斯顿大学助理教授)，论文共同第一作者为余教授课题组的博士后饶州铝博士和张宇（Yu Shrike Zhang）教授课题组的Sushila Maharjan博士。其他主要作者包括美国德州心脏研究所的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，宾夕法尼亚州立大学的练小军（Xiaojun Lance Lian）教授，以及西湖大学的杨健（Jian Yang）讲席教授。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt7210