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【CCI创新周讯】心脏芯片:一项心血管疾病研究的“变革型技术”

CCI心血管医生创新俱乐部 2018-11-08 13:29:35


上周,香港大学宣布造出世界上首颗人造迷你心脏。研究人员使用干细胞、基因工程等技术,通过少量血液,制造出专属的人类迷你心脏,用于测试药物毒性、改善药效。这项器官芯片技术是一项颠覆式创新技术,改变了传统心血管疾病研究尤其是药物研发和细胞培养的研究模式,是一次方法学的革命。本期创新周刊我们将为您带来这项技术的相关介绍。新闻相关链接:

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心脏芯片简介

传统的心血管疾病大多基于二维的细胞培养和动物模型实验。但是,二维的细胞实验无法充分模拟人体内部真实立体解剖结构和功能,动物模型实验也存在周期长、成本高等缺点。器官芯片技术,在微观尺度上有效模拟人体器官的各项生理结构和功能,更加接近人体组织真实的三维情况,具有微型化、集成化、低消耗、精确控制等特点。器官芯片的核心技术在于微流控芯片,能够精细调整微环境,重建体内生理条件。下面主要讲述器官芯片在心血管领域的具体应用。

心脏芯片简介

微流控技术

由于心肌细胞的收缩性和电生理反应等生理特性,传统的体外研究要复制真实的心脏组织内环境极其困难。而微流控技术使得高度仿真体内环境成为可能,这也是器官芯片最核心的价值。Parker KK设计了一个特定微流控的装置:首先用保护膜覆盖固体载体表面的边缘,生成预期的轮廓基底;然后基丙烯酰胺旋转涂层;剥离保护膜得到涂层独立体。并且证明了心肌细胞排列、收缩功能产生的基因表达谱[1]。国内学者利用微流体装置构建出细胞培养小室,并将小鼠心肌细胞种植入该培养小室,通过侧向通道精确调节培养液在小室中的流动速度,能够高度模拟心肌细胞的生理状态[2]。 值得注意的是,由于心肌细胞获取困难且难以长期培养,目前常通过化学方法使胚胎干细胞或诱导多能干细胞向心肌细胞分化,从而在微型装置上对心肌细胞结构及功能进行模拟[3]。


▲微流控装置以及

心脏芯片中心肌收缩功能测试


药物筛选

心脏芯片将心脏组织工程学带到了一个全新的高度。这种通过微流控技术形成的高度仿真的体外培养器官细胞,表现出与正常相似的伸展能力、粘附力与增殖力。一方面因为更贴近真实体内环境,同时还有着可调控性强、周期短等优点,因此在新药开发中有着巨大的应用前景[2]。芯片技术用小成本提供了一个真实的心脏模型,能够模拟药物在器官内的作用过程,进行药效、药理、毒理测试,并能获得人体最适药物浓度,甚至筛选化学化合物库,以发现新的药物。此外,在将心脏、肝脏、肾脏等多种器官芯片串联为联合芯片后,在体外进行多器官毒性测试也成为可能[4]。


▲ 心脏芯片中心肌细胞形态


构建疾病模型

基于心脏芯片,还能够对所培养心肌细胞的电生理及生物标志物的表达进行分析,构建多种疾病模型 [5]。比如针对遗传性离子通道病等疾病患者,将其成纤维细胞重编程为心肌细胞并于微流控装置中培养,能够构建出患者特异性心脏芯片,从而在组织水平进行形态学及电生理分析,突破目前患者特异性体外实验只能局限于细胞水平的瓶颈[6]。


心脏芯片可以用来构建心梗模型。利用无血清培养基和普通培养基对心脏芯片的灌注进行精确调控,能够模拟心梗发生时的低灌注状态,从而模拟缺氧心肌损伤时的血流动力学、细胞生存力、线粒体及凋亡标志物的改变情况。此时,可以观察到心肌细胞在空间上相互分离、肌动蛋白丝分解、细胞体积逐渐缩小,且上述变化程度与缺氧程度正相关。同时,在生理和病理状态下的心肌细胞胞外微环境也能够在心脏芯片上得到调控与测量,从而全方位实现心梗的模拟,并作为药物评估等的基础[2]。

▲心脏芯片心梗模型示意图


心脏芯片还可以用来构建心衰模型。将心肌细胞种植培养于可伸缩基质上并对该组织进行周期性机械拉伸,能够在细胞及组织水平造成机械性超负荷,从而构建心力衰竭模型。拉伸后的心肌单细胞形态伸长,钙瞬变信号异常,细胞收缩力明显下降。包括TRPC1在内的多种与病理性心肌肥厚及心衰相关的基因表达量提高,α-与β-MHC mRNA比值显著下降,并且细胞骨架在此过程中发生重塑,细胞外基质产生增多,这也与病理性心肌重塑时的变化相吻合[5]。

▲周期性拉伸所致心肌细胞结构改变


挑战

器官芯片作为近几年出现的新科技,已被世界经济论坛列为2016年度十大新兴技术之一。但是,心脏芯片的应用仍面临着巨大的挑战。心脏芯片只收集了人体的局部器官,无法重现机体复杂的内分泌环境所介导的一系列功能变化。目前大多心脏芯片的制造以手工为主,开发高通量的制造方法同时创造出多个副本,这是未来产业化必须要面临的问题。而且,心肌细胞在生理状态下的排列和收缩等难以模拟,仍需要研究人员的大量探索。但毫无疑问的是,器官芯片将会进一步掀起心血管组织工程学领域的革命。


【参考文献】

[1] Grosberg A, Alford P W, Mccain M L, et al. Ensembles of engineered cardiac tissues for physiological and pharmacological study: Heart on a chip[J]. Lab on A Chip, 2011, 1(24):4165-4173.

[2] Li Ren, Wenming Liu, Yaolei Wang, Jian-Chun Wang, Qin Tu, Juan Xu, Rui Liu, Shao-Fei Shen, Jinyi Wang. Investigation of Hypoxia-Induced Myocardial Injury Dynamics in a Tissue Interface Mimicking Microfluidic Device. Anal Chem. 2013,85(1):235-244.

 [3] Jastrzebska E, Tomecka E, Jesion I. Heart-on-a-chip based on stem cell biology. Biosens Bioelectron. 2016,75:67-81.

[4] Williamson A, Singh S, Fernekorn U, Schober A. The future of the patient-specific Body-on-a-chip. Lab Chip. 2013,13(18):3471-3480.

[5] Megan L. McCain, Sean P. Sheehy, Anna Grosberg, Josue A. Goss, and Kevin Kit Parker. Recapitulating maladaptive, multiscale remodeling of failing myocardium on a chip. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013,110(24):9770-9775.

[6] Selimović S, Dokmeci MR, Khademhosseini A. Organs-on-a-chip for drug discovery. Curr Opin Pharmacol. 2013,13(5):829-833.

本期策划:沈雳 殷嘉晟

后期制作:张倩倩 黄朔阳 王培琳