综述：从实验台到工程化心脏组织：细胞负载心脏生物打印技术的功能成熟度评估

《Bioprinting》：From Bench to Engineered Heart Tissue: A Functional Readiness Assessment of Cell-Laden Cardiac Bioprinting Technologies

本研究通过系统综述评估了54项心脏生物打印研究的功能成熟度，采用六级功能准备度阶梯（FRL）和标准化检查表，发现约61%研究处于T1-T2级（早期体外验证），仅少数达T3级，揭示生物墨水配方、打印技术及细胞组合是提升功能成熟度的关键因素，提出建立标准化三级评估体系以推动临床转化。

　　

Rezvan Mobasseri|Zeinab Neshati|Maryam Rahnama

美国俄亥俄州凯斯西储大学医学院药理学系

摘要

心脏生物打印通过工程化功能性组织，为心脏移植提供了有前景的替代方案，解决了心脏有限的再生能力问题。然而，目前限制生物打印心脏结构转化进展的并非制造可行性，而是其功能成熟度。为了量化这一差距，我们采用了一种系统评价方法，分析了54项符合条件的细胞负载研究，使用了从技术成熟度等级（Technology Readiness Levels）改编而来的六级功能准备度阶梯（T0–T5），以及固定的报告（8项）和严谨性（5项）检查表。在分析的研究中，基于挤压的打印方法占主导地位（27/54；约50%），而嵌入式、混合式、喷墨式、光敏式和无支架打印方法各自占比均不超过13%。功能准备度主要集中在较低等级（T1 = 20%；T2 = 61%；T3 = 4%；T4 = 15%），没有研究达到T5等级。检查表得分处于饱和状态（报告和严谨性均为中位数2/2），这证实了转化限制源于功能成熟度不足，而非文档记录不完善。探索性分析表明，较高等级的结构更常使用包含纤维蛋白的基质、基于挤压的生物打印方法以及间充质基质细胞作为支持细胞，但在多重检验校正后这些差异均无统计学意义。总体而言，这些发现表明，虽然生物打印的心脏结构能够持续表现出收缩功能，但在体内的表现仍然有限且不稳定。建立标准化的三级基准（要求在同一打印结构上测量力、电生理学和药理反应）将有助于实现可审计的跨实验室比较，并指导合理的材料和细胞设计策略。本文引入的功能准备度框架为快速发展的心脏生物打印领域提供了首个定量基础。

引言

心血管疾病（CVDs）包括一组心脏或血管疾病，如冠心病、中风、外周动脉疾病、心力衰竭和主动脉疾病。尽管在预防、诊断和治疗方面取得了进展，但它们仍然是全球主要的死亡原因，2022年估计有1980万人因此丧生[1]。成人心肌的有限内在再生能力意味着终末期疾病主要仍依赖移植治疗；然而，供体短缺、终身免疫抑制和长期生存率不佳凸显了寻找替代方案的必要性[2]、[3]、[4]、[5]。心脏组织工程（CTE）旨在通过结合适当的细胞、生物材料支架和生化/物理信号来生成用于体外建模或体内修复的功能性组织[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。

尽管已经取得了显著进展，但仍存在一些挑战，如结构的尺寸限制和机械脆弱性、来自干细胞的心肌细胞表型不成熟、多细胞组成不佳、植入后的血管整合和存活率有限以及免疫原性等问题，这些因素继续阻碍了技术的转化应用[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。因此，三维（3D）生物打印技术应运而生，它允许计算机辅助的空间精确沉积细胞和生物材料，从而创建具有更高可重复性的患者特异性、可灌注的多细胞心脏组织[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。这些转化障碍促使研究人员专注于开发优化材料和生物性能的生物打印方法。常见的生物打印技术（挤压、喷墨/滴液和激光/光敏）处理的“生物墨水”种类有限（例如，海藻酸盐、胶原蛋白、纤维蛋白、明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）、脱细胞细胞外基质混合物），这些墨水需要在可打印性和细胞存活率、增殖及成熟度之间取得平衡[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。最近的综述强调，功能仿生性而非仅仅形状逼真度已成为设计选择的主要因素；各向异性的微观结构、可灌注的微血管系统和生物物理刺激（机械/电刺激）越来越多地被结合使用，以推动组织向成人样电生理学和力输出发展[27]、[28]。生物墨水正朝着混合型、受细胞外基质（ECM）启发的配方发展（如GelMA、纤维蛋白、脱细胞ECM（dECM）混合物），这些配方具有可调的粘弹性和粘附特性，通常与挤压或光敏平台结合使用，并在打印后进行后处理以改善传导速度（CV）、肌节有序性和收缩应力[21]、[22]、[29]、[30]、[31]。

以平行工程心脏组织（EHT）为中心的综述指出了人类诱导多能干细胞衍生的心肌细胞（hiPSC-CMs）的不成熟性作为核心瓶颈，并提出了诸如后负荷/前负荷、电刺激、代谢重编程和多细胞共培养等策略来促进成熟，同时指出了在耐久性和可扩展性方面的持续差距。这些综合研究主张建立标准化的功能评估面板和可重复的成熟度协议，以实现不同实验室和打印方法之间的可比结果，这正是开发功能准备度映射方法的动力[14]、[32]、[33]、[34]。

尽管许多研究报道了细胞负载的生物打印补片、球状体和心脏芯片系统，这些系统展示了同步跳动、血管化和 auxetic 弹性等令人印象深刻的特性，但该领域在方法学上仍然存在异质性。生物墨水配方、细胞混合物、结构规模、预处理方案和功能检测协议的多样性使得客观比较变得复杂，也掩盖了当前结构距离临床应用的距离。现有的叙述性综述虽然列出了材料和打印方法，但没有一种方法使用透明的评分框架来定量评估技术成熟度或将功能复杂性与可重复性和偏差控制联系起来[7]、[19]、[25]、[35]。更广泛地说，最近的观点强调，领域层面的标准化和转化基准测试对于生物打印技术的进步至关重要[36]。

技术成熟度等级（TRL）的概念最初由NASA建立，用于评估航空航天技术的成熟度，后来被改编用于医疗设备和再生生物技术，提供了一个结构化的、分阶段的转化进展指标[37]、[38]、[39]、[40]。每个等级反映了从基本实验室可行性到临床应用的逐步实验验证。然而，现有的TRL方案侧重于工程验证，而非生物功能性。在这种情况下，“工程验证”指的是证明制造过程和结构符合技术和制造标准（例如，可重复的构建精度、材料和过程的可行性，以及在定义的测试条件下的系统性能）。相比之下，心脏组织工程中的“生物功能性”需要证明具有心脏特异性的生理性能（例如，兴奋-收缩耦合、力量生成、电生理整合和/或体内修复效果），而这些并未被通用的TRL描述符明确涵盖。因此，我们将TRL的分阶段逻辑改编为基于心脏生物学和功能基准的功能准备度阶梯（FRL）。

为了弥合这一差距，我们将TRL框架改编为六级功能准备度阶梯（FRL），强调与心脏组织成熟度和性能相关的生物学和功能基准。我们系统地回顾了2020年至2025年中期发表的细胞负载心脏生物打印结构。我们制定了六级FRL（T0-T5）以及相应的报告完整性和偏差风险模块，以（i）评估当前的研究现状，（ii）识别超出早期概念验证的设计特征，（iii）揭示限制进展的方法学缺陷。

重要的是，准备度并不等同于治疗效果。等级分配仅表明了在哪些模型中展示了什么，而不是结构的效力、耐久性或实际临床益处。要评估有效性，即患者层面的益处，需要额外的证据路径，包括大型动物良好实验室实践（GLP）研究、安全性和剂量评估、耐久性测试，最终是临床试验。因此，本综述旨在提供一份可审计的、定量的功能准备度地图，将设计变量与转化成熟度联系起来。具体目标是：（i）定量评估符合条件的研究的功能准备度（T0-T5），（ii）识别与更高准备度等级（特别是T4）相关的生物打印技术、生物墨水、细胞组合和模型系统，（iii）突出方法学上的差距，如报告不足、功能检测不一致和体内严谨性有限，这些因素阻碍了向转化等级的进展。

部分摘录

搜索策略、筛选和资格标准

我们系统地搜索了PubMed、Scopus和Embase数据库，并补充搜索了Google Scholar。布尔字符串为：("3D print*" OR "three dimensional print*" OR "three-dimensional print*" OR bioprint* OR “bio-print*” OR “additive manufactur*” OR “biofabricat*”) AND (cardiac OR myocard* OR heart) AND (construct OR tissue OR patch OR scaffold) AND (function* OR contract* OR beat OR calcium OR electrophysiolog* OR “ejection fraction”)，并根据需要进行调整

研究选择

数据库和补充搜索共识别出1,748条记录，其中1,385条来自文献数据库（PubMed 223条；Scopus 384条；Embase 778条），363条来自Google Scholar或手动搜索。去除356条重复记录后，通过标题和摘要筛选出1,392条记录，其中1,136条被排除为综述、专家意见、会议论文、书籍章节、预印本或非英语出版物。最终有256篇全文根据纳入标准进行了评估

讨论

过去，生物打印通常产生无细胞结构，随后再填充细胞；这种方法受到细胞渗透缓慢和粘附控制不稳定的限制[95]、[96]。虽然最佳方法取决于项目目标，但细胞负载的生物打印在构建具有预定义细胞分布的复杂结构方面具有明显优势。因此，在本综述中，我们专注于细胞负载的结构，即细胞在打印前就混入生物墨水中。

结论

本综述使用基于TRL框架定制的功能准备度阶梯，系统地评估了2020年至2025年中期发表的54项细胞负载心脏生物打印研究的功能准备度。通过将报告和严谨性检查表固定为饱和状态（2 + 2），并仅对功能领域进行评分，我们在一个可审计、基于证据的框架上量化了转化成熟度。分析显示，该领域仍主要集中在早期体外阶段（主要是T2 = 61%），只有少数研究达到了更高级别

CRediT作者贡献声明

Rezvan Mobasseri：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、数据管理、概念构思。Maryam Rahnama：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学设计、数据管理。Zeinab Neshati：撰写——审稿与编辑、验证、监督、调查、概念构思

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

伦理声明

本文不包含任何涉及人类参与者或动物的研究。

数据访问声明

作者确认支持本研究结果的数据可在文章及其补充材料中找到。

资金支持

本研究未获得任何组织的特定资助。

利益冲突声明

? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：Zeinab Neshati表示获得了马什哈德Ferdowsi大学的财务支持。作者声明没有其他可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

在准备本手稿的过程中，作者使用了免费版本的ChatGPT进行英语编辑。作者已审查并编辑了输出内容，并对本文的内容负全责。