杜克大学的生物医学工程师创造了一个功能齐全的人造心脏肌肉，足以修复心脏病发作患者常见的损伤。这一进步朝着修复人类患者的死心肌的最终目标迈出了重要的一步。

“现在，几乎所有现有疗法都旨在减轻已经对心脏造成的损害的症状，但没有任何方法能够取代失去的肌肉，因为一旦它已经死亡，它就不会重新生长拥有，“伊利亚沙德林说，他是杜克大学的生物医学工程博士生，也是该研究的第一作者。“这是一种我们可以用身体外的组织代替失去的肌肉的方法。”

与某些人体器官不同，心脏病发作后心脏不能再生。死肌通常被疤痕组织所取代，疤痕组织不再能够传递电信号或收缩，这两者都是平稳而有力的心跳所必需的。

最终结果是一种通常被称为心力衰竭的疾病，其影响全世界超过1200万患者。新的疗法，例如Shadrin和他的顾问Nenad Bursac，Duke的生物医学工程教授正在开发的新疗法，需要预防心力衰竭及其致命的并发症。

目前的临床试验正在测试将源自骨髓，血液或心脏本身的干细胞直接注入受影响部位的策略，以试图补充一些受损的肌肉。虽然这些治疗似乎确实有一些积极的影响，但其机制尚未完全了解。不到百分之一的注射细胞存活并留在心脏中，甚至更少的成为心肌细胞。

另一方面，心脏补片可以设想植入死肌并长时间保持活动状态，为收缩提供更多的力量，并为心脏的电信号提供平滑的通道。这些斑块还分泌酶和生长因子，可以帮助恢复尚未死亡的受损组织。

然而，对于这种工作方法，心脏补片必须足够大以覆盖受影响的组织。它也必须与天然心脏组织一样强壮和电活动，否则差异可能导致致命的心律失常。

这是第一个满足这两个标准的人类心脏补丁。“创造个体心肌细胞非常普遍，但人们一直专注于种植用于药物开发的微型组织，”Bursac说。“将它扩展到这个尺寸是一项前所未有的事情，需要大量的工程设计才能实现。”

心脏补片的细胞是从人类多能干细胞中生长出来的 - 细胞可以成为体内任何类型的细胞。Bursac和Shadrin已成功使用许多不同系列的人类干细胞制作贴剂，包括那些来自胚胎和人工强迫或“诱导”成多能状态的人类干细胞。

可以从这些干细胞生长各种类型的心脏细胞：心肌细胞，负责肌肉收缩的细胞;成纤维细胞，为心脏组织提供结构框架的细胞;和内皮细胞和平滑肌细胞，形成血管的细胞。研究人员将这些细胞以特定的比例放入果冻状物质中，在那里它们自我组织并长成功能性组织。

寻找正确的细胞组合，支持结构，生长因子，营养和培养条件，以生长大型，功能齐全的人体心脏组织片段已经成为团队多年的工作。每个容器和程序都必须从头开始设计和设计。将这一切结合在一起的关键是一点摇摆和摇摆。

“事实证明，摇动样品进行沐浴和喷洒以改善养分输送是非常重要的，”沙德林说。“与我们的静态样品相比，摇摆培养物的结果提高了三到五倍。”

结果改进了研究人员之前的补丁，即1平方厘米和4平方厘米。他们成功地扩大到16平方厘米和5到8个细胞厚度。测试表明贴片中的心肌功能齐全，具有类似于正常健康成人心脏的电气，机械和结构特性。

“这是非常难以做到的，因为生长的组织越大，在整个组织中保持相同的特性就越困难，”Bursac说。“同样具有挑战性的是，在五周的快速时间范围内使组织成熟至成人强度，同时实现通常需要多年正常人类发育的特性。”

Bursac和Shadrin已经证明，当植入小鼠和大鼠心脏时，这些心脏补片存活，血管化并保持其功能。然而，对于实际上取代人类患者的死心肌功能的心脏补片，它需要比本研究中生长的组织厚得多。对于要生长厚的斑块，它们需要被血管化，以便内部细胞可以接收足够的氧气和营养物质。即便如此，研究人员还必须弄清楚如何将心脏补片与现有肌肉完全整合。

“这样的完全整合非常重要，不仅可以改善心脏的机械泵送，还可以确保电波的平稳传播并最大限度地降低心律失常的风险，”Shadrin说。

“正如其他人一样，我们正积极致力于这一点，但就目前而言，我们很高兴能够找到'重要事项'部分，”Bursac补充道。

该研究是美国国立卫生研究院提供的7年860万美元赠款的一部分。随着手中的大片心脏病，Bursac团队正在与伯明翰阿拉巴马大学的研究人员合作，开发成功将补片整合到猪心脏上的程序。威斯康星大学麦迪逊分校的另一个附属研究团队正致力于开发改良干细胞，以创造构成这些心脏补片的主要细胞类型，以期最大限度地减少对工程组织输送的免疫反应。