科学家完美“复刻”了人类心脏，将更清楚地解开心脏病的各种原理
文章来源：贤集网发布日期：2022-05-12浏览次数：40 近年来，科学家们一直在使用仿生组织模型来研究人体的疾病和发展。仿生组织模型是设计用来复制活组织属性的重建组织。然而，心脏则是另一回事。尽管干细胞研究的进步使得培育心脏组织变得更加容易，但在实验室里复制一个正常运转的人类心脏仍然很复杂。为了解决这一差距，一个多学科研究团队开发了一种心脏腔的微型复制品，将先进的干细胞技术和纳米工程结合在一起。该装置被命名为小型化的高精度单向微流体泵(miniPUMP)，包括一个使用精密3D打印构建的空心、微观、圆柱形支架。这个支架为心脏组织形成了一个框架，它是由来自人类干细胞的心肌细胞构成的。该设备模拟心脏的下腔，即心室。波士顿大学生物医学研究员、该研究的主要作者克里斯托斯·米沙斯(Christos Michas)说，就像真正的心脏一样，该组织自发地跳动。该装置被淹没在含有葡萄糖和细胞生存所需的其他营养物质的细胞培养基中。用电模拟使组织跳动是可能的，但你不需要这样做。你只要把它组装起来，它就会做自己的事情。Michas解释说，微型泵的新奇之处在于，它以一种以前从未考虑过的方式将纳米制造和组织工程结合起来。有了纳米工程部件，我们能够复制心脏的不同方面，特别是收缩然后弹回的心室，以及调节血液流动的瓣膜，因此，他们能够模拟心脏功能的某些方面，如压力和泵送的液体量，这些迄今为止还没有在研究文献中得到体现。通过这样做，我们可以获得更多心脏性能指标，所以我们可以有一个更好的心脏模型。波士顿大学机械工程教授、合著者爱丽丝·怀特说，除了便于研究的缩小器官模型外，这种设备的小型化还有进一步的优势。首先，它不需要大量的干细胞，干细胞是一种珍贵的商品。这也意味着我们可以在一个相对较小的空间里并行地做很多事情。另一个巨大的优势是，他们的迷你心脏腔与其他正在开发的器官芯片技术兼容。这种芯片是一种排列有活人体细胞的微流控芯片。该团队使用了一种被称为双光子直接激光书写的3d打印技术，在这种技术中，一种生物相容的液体树脂在与激光接触时固化。材料是什么并不重要，只要它能保持其结构并具有非常好的特性。精密制造是至关重要的，因为微型泵的许多部件都比灰尘颗粒还小，整个部件比邮票还小。该团队面临的大挑战之一是复制心脏的泵血功能。首先，你需要一个类似于气球的心腔，这样它就可以容纳液体，在如此小的规模上以3D格式安排组织是非常具有挑战性的，因为组织本身会坍缩成一个球体。这就是微工程支架开始使用的地方。第二个方面，是液体必须以一种定向的方式流动，就像它在心脏中那样。这意味着我们必须有阀门，但我们需要这样一个缩小的系统的阀门对压力非常敏感。高分辨率的3D打印再次实现了这一点。Michas和他的同事们的迷你心室在实验室里持续跳动了三周。米查斯说:“我们没有进行全面的研究来观察治疗对心脏的影响，但如果进行适当的调整，我很有信心它会持续几个月。”这种寿命，以及复制心脏肌肉的自然跳动机制，为科学家提供了研究心脏以及测试治疗方法的有效性的机会，而对人类患者没有风险。除了药物开发和测试，米查斯还看到了其他可能性，比如疾病建模。他说:“我们知道，在高血压的情况下，随着时间的推移，心脏会改变它的跳动方式，它可以泵出多少血液，它的速度有多快。所以，如果我们想更好地理解这一点并开发治疗方法，那么我们需要有容易获得的模型来复制它。微型泵可以通过控制阀门压力来实现。这是其他系统通常缺乏的额外参数之一。”米查斯说，另一种可能性是开发疗法，比如基因疗法。这让我们能够再次复制这些疗法的过程，看看它们是否[有效]，后是模拟人类发展。这是一个非常复杂的科学问题，在某种程度上，这样的模型可以帮助我们更好地了解胚胎发育期间身体是如何形成的。 
