这个微型纳米“泵”可以在关键时刻救我们一命
文章来源：贤集网发布日期：2022-04-24浏览次数：37 在人类心脏工作的过程中，没有安全的方法可以近距离观察它：你不能把它弹出，看一眼，然后再把它插进去。科学家们尝试了不同的方法来解决这个基本问题：他们将尸体心脏连接到机器上，让它们再次泵血，将实验室培养的心脏组织连接到弹簧上，观察它们膨胀和收缩。每种方法都有其缺陷：复活的心脏只能跳动几个小时；弹簧无法在真正的肌肉上复制作用力。但更好地了解这一重要器官是当务之急：根据疾病控制和预防中心的数据，在美国，每36秒就有人死于心脏病。现在，一个由工程师、生物学家和遗传学家组成的跨学科团队开发了一种研究心脏的新方法：他们用纳米工程部件和人类心脏组织的组合构建了一个微型心脏室复制品。没有像真人一样的弹簧或外部电源，它只是由干细胞生长的活体心脏组织驱动，自行跳动。该设备可以让研究人员更准确地了解器官的工作原理，让他们能够追踪心脏在胚胎中的生长情况，研究疾病的影响，测试新疗法的潜在有效性和副作用——所有这些对患者来说都是的，而且不需要离开实验室。波士顿大学（Boston University）领导的团队开发了这个昵称为“微型泵”（Minippump）的设备，正式名称为“心脏微型化精密单向微流控泵”（Cardial Minified Precision enabled Undirectional Microfluidic Pump），该技术还可以为构建从肺到肾的其他器官的实验室版本铺平道路。他们的发现发表在《科学进步》杂志上。波士顿大学工程学院教授、机械工程系主任爱丽丝·怀特说：“我们可以用一种以前不可能的方式研究疾病的进展，我们之所以选择研究心脏组织，是因为它的力学特别复杂，但我们表明，当你采用纳米技术并将其与组织工程结合起来时，有可能在多个器官中复制这种技术。”据研究人员称，该设备终可能会加快药物开发过程，使其更快、更便宜。研究人员可以从一开始就使用微型泵来更好地预测成功或失败，而不是花费数百万甚至几十年的时间在开发管道中移动一种药物，终在人体试验中看到它落在后一个障碍。该项目是CELL MET的一部分，它是由BU领导的细胞超材料的多机构国家科学基金会工程研究中心。该中心的目标是再生患病的人类心脏组织，建立一个由科学家和行业专家组成的社区，以测试新药，并为因心脏病发作或疾病受损的心脏制造人工植入补片。怀特说心脏病是美国的头号死因，影响着我们所有人。他在2013年加入波士顿大学之前是阿尔卡特朗讯贝尔实验室的首席科学家。如今，心脏病发作没有治愈方法。CELL-MET的愿景是改变这种状况。个性化医疗你的心脏有很多问题。当它在所有四个气缸上正常工作时，心脏的两个顶部和两个底部腔室保持血液流动，使富氧血液循环并供给身体。但当疾病袭来时，将血液从心脏带走的动脉可能会变窄或堵塞，瓣膜可能会泄漏或失灵，心肌可能会变薄或变厚，或者电信号可能会变短，导致心跳过多或过少。如果不加以控制，心脏病会导致呼吸困难、疲劳、肿胀和胸痛等不适，对许多人来说，还会导致死亡。BU的威廉·F·沃伦生物医学工程杰出教授克里斯托弗·陈（Christopher Chen）说：“心脏在向我们的身体输送血液时会经历复杂的力量。虽然我们知道，由于高血压或瓣膜疾病等异常力量，心肌会发生更严重的变化，但很难模拟和研究这些疾病过程。这就是为什么我们想要建造一个小型心脏室。”微型泵只有3平方厘米，比一张邮票大不了多少。其定制组件安装在一块薄薄的3D打印塑料上，可以像人的心室或肌肉下腔一样工作。这里有微型的丙烯酸阀门，可以打开和关闭来控制液态水的流动，而不是血液和小管，就像动脉和静脉一样输送液体。在一个角落里跳动，使心脏组织收缩的肌肉细胞，心肌细胞，使用干细胞技术制造。克里斯托斯·米查斯（Christos Michas，ENG'21）是一名博士后研究员，他设计并领导了微型泵的开发，作为其博士论文的一部分。为了制造心肌细胞，研究人员从成人身上提取一个细胞——可以是皮肤细胞、血细胞，或者几乎任何其他细胞——将其重新编程为胚胎样干细胞，然后将其转化为心脏细胞。米查斯说，除了让这个设备具有真正的心脏功能外，心肌细胞还让这个系统在帮助开发个性化药物方面具有巨大潜力。例如，研究人员可以将一个患病的组织放入设备中，然后在该组织上测试药物，观察其泵送能力如何受到影响。有了这个系统，如果我从你身上提取细胞，我可以看到药物在你体内的反应，因为这些是你的细胞，这个系统可以更好地复制心脏的某些功能，但同时也让我们能够灵活地复制不同的人类。它是一个更具预测性的模型，可以在不真正进入人类的情况下观察人类会发生什么。根据米查斯的说法，这可以让科学家在进入临床试验之前很久就评估一种新的心脏病药物的成功几率。许多候选药物因其不良副作用而失败。一开始，当我们还在玩细胞游戏时，我们可以引入这些设备，并对临床试验中会发生什么进行更准确的预测，这也意味着这些药物的副作用可能更少。比头发还细微型泵的关键部件之一是一个丙烯酸支架，它在心脏组织收缩时支撑并随心脏组织移动。一系列比人的头发还细的超细同心螺旋通过水平环连接在一起，支架看起来像一个艺术活塞。这是谜题中的一个关键部分，它赋予了心脏细胞结构，如果没有它，心脏细胞将只是一个无形的团，但不会对它们施加任何主动力。“我们不认为以前研究心脏组织的方法能够捕捉肌肉在你身体中的反应方式，这让我们第一次有机会构建出一种机械上更类似于我们认为心脏实际经历的东西，这是向前迈出的一大步。”陈说，他也是BU生物设计中心的主任，也是哈佛大学Wyss生物灵感工程研究所的副教授。为了打印每一个微小的组件，该团队使用了一种称为双光子直接激光写入的过程——一种更精确的3D打印版本。当光线射入液体树脂时，它接触的区域变成固体；因为光可以如此精确地聚焦到一个微小的点上，所以微型泵中的许多部件都是以微米为单位测量的，比尘埃颗粒还小。决定将泵如此小，而不是真人大小或更大，是经过深思熟虑的，对其功能至关重要。结构元素非常精细，以至于通常很硬的东西都是柔性的。丙烯酸可以非常坚硬，但在微型泵的规模下，丙烯酸支架可以被跳动的心肌细胞压缩。该泵的规模表明，有了更精细的打印架构，你可能能够创建比我们之前认为可能的更复杂的细胞组织。目前，当研究人员试图创造细胞时，无论是心脏细胞还是肝细胞，它们都是无序的，这意味着在微型泵中开创的组织支架具有超越心脏的巨大潜在影响，为其他从肾到肺的器官芯片奠定基础。改进技术微型泵团队的下一个直接目标是什么？改进技术。他们还计划测试在不影响其可靠性的情况下制造该设备的方法。有太多的研究应用，陈说除了让我们能够接触到人类的心肌来研究疾病和病理学，这项工作还为制造心脏贴片铺平了道路，这些贴片终可能适用于当前心脏有缺陷的人。 
