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人類微心臟模型助力精細醫療與藥物研發
心血管疾病是全球致死率居高不下的重大健康威脅，而傳統動物模型和二維細胞培養在藥物研發中存在預測性差、成本高昂等諸多局限。如今，CELLINK 公司借助 BIONOVA X 的創新技術，成功打造出人類微心臟模型，為精細醫療和藥物發現開辟了全新路徑。
思維導圖
傳統研究模型的困境
長期以來，動物模型和 2D 細胞培養是心血管疾病研究與藥物測試的主要工具，但二者均存在明顯短板。2D 細胞培養缺乏人體組織的三維微結構，細胞間通訊和排列方式與體內真實情況差異較大，導致實驗結果難以反映人體實際反應；動物模型則因物種差異，對人類藥物反應的預測價值有限，據 FDA 數據，約 92% 通過動物實驗的藥物在人體臨床試驗中失敗，新藥上市平均成本高達 10-20 億美元。此外，部分藥物對不同基因型、種族、性別和年齡群體的效果差異***，傳統模型難以覆蓋這些變量。
創新技術：3D 生物打印構建微心臟模型
CELLINK 團隊采用**數字光處理（DLP）BIONOVA X生物3D 打印機，在標準多孔板中直接打印出高精度微柱陣列，再接種人類誘導多能干細胞衍生心肌細胞（iPSC-CMs），成功構建出 “微柱上的心臟” 模型。
該技術具有突出優勢：打印速度快，每個孔中 8 對微柱可在 30 秒內同步完成；分辨率高，能精細控制微柱尺寸與間距，厚柱尺寸為 135×135μm，薄柱為 60×135μm，高度均為 500μm；兼容性強，可適配 6 孔、12 孔、24 孔等標準培養板，無需轉移樣本即可直接成像和檢測。更重要的是，打印的微柱在 7 天培養期內力學性能穩定，彈性模量維持在 4MPa 左右，為心肌組織生長提供了可靠的支撐環境。
關鍵突破：優化心肌組織成熟度與功能
為提升模型的生理相關性，研究團隊從多方面進行了優化。通過測試 100-225μm 不同微柱間距，發現 225μm 間距時肌節排列比較好，32% 的肌節與收縮力方向夾角在 ±15° 以內，49% 在 ±30° 以內，且平均肌節長度為 1.8±0.6μm，完全處于人類心臟肌節的正常工作范圍（1.8-2.3μm）。
同時，結合 3D 培養與電刺激（0.3Hz，自接種后第 4 天開始隔天刺激），***提升了心肌組織的成熟度。與傳統單層培養相比，這種組合方式使肌節力生成相關基因（TNNT、MYH6）、縫隙連接基因（CNX43）和鈣離子通道基因（RYR2）的表達均大幅上調，讓 iPSC-CMs 衍生組織的功能更接近成熟心肌。
實用價值：實時監測藥物反應與收縮力
該微心臟模型可直接在培養板中實現心肌收縮力的無接觸實時測量。利用歐拉 - 伯努利梁理論，通過追蹤薄柱的彎曲位移，即可計算出心肌組織的收縮力，平均收縮力達 8.9μN，與體積大 6 倍的工程化心肌組織相當。
在藥物測試中，模型表現出良好的響應性：經奧美沙坦（OM）、左西孟旦（LEVO）和異丙腎上腺素（ISO）處理后，心肌收縮力分別提升 75%、33% 和 27%，驗證了其在藥物篩選中的實用性。這種實時可視化的檢測方式，為藥物療效評估和心臟毒性檢測提供了高效工具。
未來展望：賦能精細醫療與再生醫學
該 3D 生物打印微心臟模型的成功構建，不僅解決了傳統模型的諸多痛點，還展現出廣闊的應用前景。依托 iPSC 技術，可從特定患者身上獲取細胞，構建個性化模型，助力罕見病研究和精細治療方案制定；其高通量特性適合大規模藥物篩選，能***降低研發成本、縮短研發周期。
未來，該技術還可擴展到多材料、多細胞復雜組織模型的構建，與自動化液體處理系統、成像系統等集成，進一步提升研究效率。此外，該方法還可推廣到肝臟、腎臟等其他組織模型的構建，為整個精細醫療和藥物研發領域帶來**性變化。
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