心臟功能的現代概念始于17世紀的英國生理學家William Harvey，他發現了血液循環和心臟的功能，其貢獻是劃時代的。他在 1628 年解釋說，血液是通過圓形纖維的收縮從心室排出的。他認識到并非所有纖維都是圓形的，并指出“所有螺旋排列的纖維在收縮時都會變直”。到了17世紀中葉，人們推測扭轉對于心臟泵血效率具有功能重要性（類似于擰干濕布）。螺旋結構重要性的進一步間接證據來自衰竭的心臟，其中由于先天性缺陷、高血壓、缺血或纖維化導致的結構異常會改變左心室扭曲并與泵血能力受阻有關。然而，很難具體評估心臟的螺旋結構對其功能（或功能障礙）的貢獻程度，因為心力衰竭是一種多方面的疾病，藥物治療是控制癥狀而不是修復潛在的缺陷。心臟再生能力有限導致了組織工程解決方案。為此，理解和復制心臟的螺旋結構-功能關系被認為是重要的一步。心臟的泵送作用來自心肌細胞，心肌細胞是心臟的微米大小的肌肉細胞，它們能產生厘米大小的機械收縮，并在 100 mmHg 的壓力下從心室泵出 70 ml。心肌細胞被組織成包裹心室的螺旋纖維。螺旋纖維的有序、電起搏收縮會導致心腔收縮以排出血液，但也會扭轉。從機械的角度來看，心力衰竭是由于泵血不足或心臟太硬而無法充盈的結果。修復受損心臟的再生醫學方法很有前景，但需要設計原則來再現原生心臟功能并解決全球心力衰竭逐增的問題。鑒于此，哈佛大學Kevin Kit Parker等人介紹了一種新的制造工藝，即聚焦旋轉噴射紡絲(Focused Rotary Jet Spinning, FRJS)，以創建具有規定的微尺度聚合物纖維排列的三維人體心臟結構。成果發表在Science上！
FRJS技術是基于旋轉噴射紡絲，在旋轉噴射紡紗中，離心力將聚合物溶液通過細噴嘴排出，形成自由浮動的纖維，隨著聚合物溶劑的蒸發而固化。在該研究中，噴氣流將擠出的纖維對齊并聚焦，將其沉積在收集結構（模具）上。通過控制模具的形狀和旋轉，可以快速形成具有特定微米級纖維方向的復雜器官級3D支架，然后將細胞接種在結構上。由于 FRJS 需要具有凸面的模具，因此無法將完整的人類心臟作為單一結構生產，而是需要組裝和融合四個獨立的腔室。單片心臟可以通過3D 擠壓進行生物打印，但這不能提供 FRJS 的吞吐量或空間分辨率。FRJS 還改進了靜電紡絲和其他無法創建具有相同幾何復雜性或制造速度的 3D 結構的纖維紡絲方法。
研究人員利用 FRJS 的獨特能力來重新審視螺旋肌結構是否能改善心室功能。他們構建了具有單層螺旋或周向排列的明膠纖維的橢圓形心室。纖維方向基于一個分析模型，該模型預測螺旋纖維更大的射血分數（每次心跳從心室射出的血液分數）。來自大鼠新生兒的心肌細胞或來自接種在支架上的人誘導的多能干細胞的心肌細胞通常與紡成的纖維對齊，產生定向的、跳動的、但仍在發育的心肌。當電起搏時，與環向纖維相比，具有螺旋纖維的工程心室沿心室長軸顯示出更高的傳導速度、更均勻的變形、更大的扭曲以及增加的心室輸出。
研究人員還構建了三層的雙心室模型，每一層都有不同的螺旋排列，比單層橢球模型更能代表天然的人類心臟。雖然沒有證明機電耦合是避免心律失常的必要條件，但接種心肌細胞的雙心室模型收縮并顯示鈣波沿表面纖維方向傳播。這在實驗上證明了電波傳播和機械收縮對心肌纖維方向的依賴性，心肌纖維方向已被預測并納入心臟計算模型。
盡管該研究為組織生物制造和心臟結構-功能關系的理解提供了重要的進展，但這些概念驗證模型還不足以證明心臟的固有功能。特別是，工程化單心室的射血分數比健康人類心臟的射血分數要低得多（充其量約為原生心室的6%）。有效的心臟收縮涉及心臟的多尺度結構、組織的機械特性和嵌入心肌細胞收縮之間的相互作用，所有這些都可能是本研究的限制因素。盡管有螺旋結構，工程心室的扭轉和縮短程度低于天然心臟。在擴散張量磁共振成像和其他成像方法的指導下，進一步優化纖維結構，可以實現更大的扭轉收縮。本研究中旋轉支架的力學行為也與天然心肌不匹配。心肌由包裹在交叉卷曲膠原纖維網絡中的肌纖維組成，在低應變下承受的負荷很小。因此，心肌在低應變時變軟，在高應變時隨著膠原纖維的展開而變硬。相比之下，FRJS產生的是直的、成束的纖維，當加載時，這些纖維會不斷嚙合并變硬，因為它們不會復制膠原纖維的納米級結構。剛性支架既能抵抗收縮，又能減少心肌細胞產生的收縮力。使用相對較少的未成熟心肌細胞會加劇這種效應。通過特殊培養基或培養基質使心肌細胞成熟的新策略將提高其收縮性，但同時也可能需要軟化支架以實現生理功能。其他生物打印方法，如熔融電書寫，可以通過精確控制單纖維微結構產生類似軟組織的力學，但不適用于復雜的3D組織幾何形狀或FRJ的速度。這仍然是一個挑戰：在保持FRJ的多功能性和吞吐量的同時，能否實現超越本文研究所證明的空間尺度的分層組織？為了實現生物工程心臟，仍然需要與血液相容的脈管系統、電傳導系統和避免免疫反應的手段。代謝活躍、細胞密集的大型器官需要大量細胞（不同類型）和大量氧氣。因為，心臟不僅僅是一個簡單的泵。盡管如此，本研究已經朝著制造生物力學等效的功能結構邁出了一步。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
