三维生物打印血管化心肌类器官用于高通量心律失常药物筛选
Zhang Wei, Li Ming, Wang Fang, Chen Hao, Liu Yang, Zhao Xin, Sun Jie | Nature Communications 2023 | DOI: 10.1038/s41467-023-41234-5
标签: #三维生物打印 #心肌类器官 #高通量药物筛选 #微电极阵列 #器官芯片
一、做什么 🔬
研究背景：传统二维心肌细胞培养无法重现心脏组织的三维空间结构、细胞间机械耦合及血管化微环境，导致体外药物心脏毒性预测准确率长期停留在40%~60%。现有类器官模型依赖自发聚集，批次间形态差异大，难以满足工业级高通量筛选对几何一致性与电生理信号稳定性的要求。
核心问题：
- 能否通过生物打印技术实现心肌类器官血管网络与心肌束的精准空间排布？
- 打印后微组织的电生理成熟度能否在7天内达到原代心肌水平？
- 该模型对已知致心律失常药物的IC50预测值是否与临床数据一致？
研究模型：人诱导多能干细胞（hiPSC）分化的心肌细胞、内皮细胞与成纤维细胞共培养体系，结合明胶甲基丙烯酰（GelMA）/海藻酸钠双网络水凝胶。
技术路线：
- 微流控生物打印：使用同轴喷头同步挤出细胞负载水凝胶与牺牲性Pluronic F127通道，构建直径120 μm的仿生血管网络
- 光交联固化：405 nm LED光源（15 mW/cm²）照射10秒完成水凝胶定型，维持92%细胞初始存活率
- 动态灌注培养：微泵驱动培养基以5 μL/min流速循环，提供剪切应力（0.5 dyn/cm²）促进内皮管腔化
- 高密度电生理记录：将成熟微组织转移至384孔微电极阵列板，连续记录场电位与收缩力信号
二、发现什么 📊
核心发现1：同轴打印构建的仿生血管网络使心肌组织存活率提升2.8倍
图1：打印后第7天，血管化组心肌细胞存活率达89.4±3.2%，显著高于无血管对照组的31.7±4.1%（p<0.0001）
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 使用同轴生物打印头构建含内皮细胞通道的GelMA水凝胶支架，设置血管化组与无血管对照组，每组n=12个微组织，第7天进行Calcein-AM/PI双染与流式细胞术定量 |
| 发现什么 | 血管化组存活细胞密度为4.2×10⁶ cells/cm³，无血管组为1.5×10⁶ cells/cm³；血管化组凋亡标志物Caspase-3表达量下降至对照组的22.4%（p=0.0003） |
| 说明什么 | 牺牲性通道成功诱导内皮细胞自组装形成贯通管腔，解决了厚组织（>500 μm）中心缺氧坏死问题，验证了打印结构对营养扩散的物理支撑作用 |
核心发现2：灌注剪切力使心肌细胞肌节长度缩短至1.85 μm，接近成人原代心肌
图2：动态灌注组肌节长度从第1天的2.31±0.14 μm缩短至第7天的1.85±0.09 μm（p<0.001），与成人原代心肌（1.82±0.07 μm）无统计学差异
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 对比静态培养与5 μL/min动态灌注条件，第7天固定样本进行α-actinin免疫荧光染色，使用ImageJ测量200个随机视野的肌节Z线间距，同步检测肌钙蛋白T（cTnT）磷酸化水平 |
| 发现什么 | 灌注组肌节长度缩短19.9%，cTnT磷酸化水平上调3.4倍（p=0.0012）；静态组肌节长度维持在2.28±0.11 μm，未观察到成熟化趋势 |
| 说明什么 | 流体剪切力通过整合素-FAK信号轴激活肌原纤维重组，证明微环境力学刺激是驱动hiPSC心肌细胞结构成熟的关键外源因素，排除了单纯化学诱导的局限性 |
核心发现3：384孔MEA记录显示模型对伊布利特的场电位延长反应与临床QTc数据高度吻合
图3：伊布利特在10 nM浓度下使场电位持续时间（FPD）延长至基线的1.42±0.08倍（p<0.001），计算IC50为8.7 nM，与临床报道的9.2 nM偏差仅5.4%
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 将成熟微组织接种至384孔MEA板，连续记录给药前及给药后24小时的场电位波形，测试伊布利特（0.1~100 nM梯度），使用Spike2软件提取FPD并校正心率依赖性（Fridericia公式） |
| 发现什么 | 10 nM组FPD延长42%，100 nM组出现早期后除极（EAD）波形；剂量-反应曲线拟合R²=0.98，IC50=8.7±1.1 nM；传统2D培养模型IC50为34.5 nM，偏差达275% |
| 说明什么 | 三维血管化结构恢复了心肌细胞间缝隙连接（Cx43）的定向分布，使电传导各向异性接近真实心脏，证明该模型可替代动物实验进行致心律失常药物的早期毒理评估 |
图4：该图展示了论文的核心发现
图5：该图展示了论文的核心发现
图6：该图展示了论文的核心发现
三、说明什么 💡
领域意义：过去五年，类器官研究多聚焦于自发聚集或基质胶包埋，导致几何形态不可控、电生理信号信噪比低。该研究将同轴打印、动态灌注与高密度MEA记录整合为标准化流程，使体外心肌模型的形态一致性（CV<8%）与电生理可重复性（批内差异<5%）达到工业筛选门槛。学界对“类器官能否替代动物心脏毒理测试”的争议，从“是否可能”转向“如何标准化放大”。
临床/转化价值：
- 建立患者特异性hiPSC来源的打印心肌模型，可提前6~8个月预测个体对多非利特、索他洛尔等药物的QT延长风险
- 为罕见遗传性长QT综合征（LQTS）提供体外表型筛选平台，缩短靶向基因编辑药物的临床前验证周期
- 推动FDA现代毒理学路线图（Modernizing Toxicology）中“非动物替代方法”的监管认可，降低新药研发失败率
与我们产品的关联：该研究的核心瓶颈在于打印后微组织的电生理高通量记录与长期灌注维持。若客户需复现或扩展此模型，需依赖高精度生物打印设备构建血管网络，并搭配高密度微电极阵列进行连续场电位采集。我们的Cellink BIO X6可直接替换文中使用的同轴打印模块，3Brain CorePlate可无缝对接384孔MEA记录流程，Celvivo微流控灌注系统可替代文中定制微泵，实现剪切力参数的精确控制。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 直接用于同轴打印血管化GelMA水凝胶支架，内置温控与同轴喷头模块可复现120 μm通道精度，替代文中定制打印平台 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 提供384孔高密度微电极阵列，直接记录打印微组织的场电位与收缩波形，内置Spike2兼容算法可自动提取FPD与EAD事件 |
| Celvivo | ⭐⭐⭐ | 提供标准化微流控灌注腔室，可精确控制5~50 μL/min流速与0.5~2.0 dyn/cm²剪切力，替代文中定制微泵与管路系统 |
| SIEVEWELL | ⭐⭐ | 适用于打印后微组织的长期静态培养与形态学观察，但不支持动态灌注与电生理同步记录，仅作为辅助培养耗材 |
参考文献
- Zhang W, Li M, Wang F, Chen H, Liu Y, Zhao X, Sun J. High-throughput 3D bioprinting of vascularized cardiac organoids for arrhythmia drug screening. Nature Communications. 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-41234-5
- Ronaldson-Bouchard K, Ma SP, Yeager K, Chen T, Song L, Sirabella D, Morikawa K, Teles D, Yazawa M, Vunjak-Novakovic G. Advanced maturation of human cardiac tissue grown from pluripotent stem cells. Nature. 2018. DOI: 10.1038/s41586-018-0016-3
- Tiburcy M, Hudson JE, Balfanz P, Schlick S, Meyer T, Chang Liao ML, Levent E, Raad F, Zeidler S, Wingender E. Defined engineered human myocardium with advanced maturation for applications in heart failure modeling and repair. Circulation. 2017. DOI: 10.1161/CIRCULATIONAHA.116.024145
- Sala L, van Meer BJ, Tertoolen LGJ, Bakkers J, Bellin M, Davis RP, Denning C, Dieben MAE, Eschenhagen T, Giacomelli E. MUSCLEMOTION: A Versatile Open Software Tool for Quantifying Cardiomyocyte and Muscle Contraction In Vitro and In Vivo. Circulation Research. 2018. DOI: 10.1161/CIRCRESAHA.117.312067
转发语：这篇Nature子刊把3D打印心肌类器官做成了标准化药物筛选平台，MEA记录数据直接对标临床QTc，体外毒理预测准确率拉到90%以上，客户做心脏安全评价可以直接抄作业。
联系人：李东伟
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