人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSC）技術(shù)可用于疾病建模和藥物開發(fā)，由hiPSC衍生的心肌細(xì)胞（hiPSC-CM）形成的心臟組織模型可用于減少和改進(jìn)藥物開發(fā)中動(dòng)物試驗(yàn)的使用。但是，使用hiPSC-CM預(yù)測(cè)藥物安全性和有效性，所要面臨的的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，一方面在于這些細(xì)胞的不成熟，特別是hiPSC-CM表現(xiàn)出的自動(dòng)節(jié)律性（沒(méi)有電刺激的自發(fā)跳動(dòng)）以及動(dòng)作電位特征的不成熟。另一方面在于，物種之間的內(nèi)在差異削弱了動(dòng)物模型預(yù)測(cè)藥物安全性和有效性的能力。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了克服以上問(wèn)題，近日，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校（University of California，Berkeley）的研究人員基于微流控技術(shù)構(gòu)建了人類心肌細(xì)胞芯片系統(tǒng)——也稱為微生理系統(tǒng)（microphysiological systems，MPS），再現(xiàn)了人類心肌組織微環(huán)境的三維（3D）架構(gòu)，以此來(lái)探索心肌細(xì)胞的關(guān)鍵生理功能。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)機(jī)械刺激和代謝信號(hào)的適當(dāng)組合，可以促進(jìn)hiPSC-CM成熟，相關(guān)成果發(fā)表在Nature Biomedical Engineering。

研究人員首先制作了心臟MPS，以增強(qiáng)多層組織自組裝的一致性。簡(jiǎn)而言之，使用兩步光刻法制作芯片，該芯片由以下部分組成：（1）一個(gè)細(xì)胞裝載端口，通向一個(gè)帶有兩個(gè)大“錨定柱”和幾個(gè)較小微柱的細(xì)胞培養(yǎng)室；（2）一個(gè)培養(yǎng)基裝載端口，通向沿著細(xì)胞培養(yǎng)室周圍運(yùn)行的培養(yǎng)基通道。培養(yǎng)基通道和細(xì)胞培養(yǎng)室（高50μm）通過(guò)一系列窗孔（2μm高×2μm寬）連接，這些窗孔在特定的體積流量下提供對(duì)流的屏障，以便所有培養(yǎng)基中的因子通過(guò)擴(kuò)散到達(dá)培養(yǎng)室中的細(xì)胞。其中，心臟MPS的制作利用PDMS模具復(fù)制法（使用Dow Chemical生產(chǎn)的Sylgard 184套件，即Sylgard基本組分與交聯(lián)劑按照10：1 比例混合），并使用氧等離子體對(duì)PDMS和玻璃基底進(jìn)行鍵合。

hiPSC-CM芯片的構(gòu)建和表征

已有的研究表明心臟代謝相關(guān)基因表達(dá)的患者間差異很大，這些差異反映在患者來(lái)源的hiPSC-CM的轉(zhuǎn)錄組中。因此，研究人員在標(biāo)記為野生C型（WTC）的細(xì)胞體系中測(cè)試了成熟培養(yǎng)基（MM）的影響。通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，研究人員確定了與標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)基（SM）相比，基于脂肪酸的MM可導(dǎo)致更成熟的線粒體表型，并改善MPS中的鈣處理。

基于脂肪酸的MM處理后的單層細(xì)胞和MPS的基因表達(dá)分析

MM處理后的MPS的線粒體形態(tài)

除此之外，研究人員還觀察到培養(yǎng)基對(duì)動(dòng)作電位時(shí)程（action-potential duration，APD）不同細(xì)胞來(lái)源的依賴性影響。具體而言，在成熟培養(yǎng)基情況下，APD異常延長(zhǎng)的組織，表現(xiàn)出較短的APD，而APD異常短的組織，表現(xiàn)出延長(zhǎng)的APD。無(wú)論細(xì)胞來(lái)源如何，組織成熟都降低了自發(fā)搏動(dòng)率和APD的變異性，并導(dǎo)致細(xì)胞表型趨同（APD在300-450ms范圍內(nèi)，這是人類左心室心肌細(xì)胞特征），從而可以改進(jìn)致心律失常藥物的藥效模型。

成熟心臟MPS的動(dòng)作電位表征

為了了解hiPSC-CM對(duì)介質(zhì)的不同反應(yīng)，我們使用預(yù)測(cè)計(jì)算模型來(lái)確定特定電流、通量和鈣處理機(jī)制對(duì)觀察到的對(duì)動(dòng)作電位和鈣瞬變的變化的貢獻(xiàn)。模型預(yù)測(cè)，不同基因型的未成熟MPS之間的個(gè)體電流不同。MM治療導(dǎo)致了一組對(duì)離子電流和鈣處理參數(shù)的趨同適應(yīng)，并且MM引起的模擬電流變化與MM和SM對(duì)比所表現(xiàn)的藥理學(xué)變化一致。這些結(jié)果表明，SM的糖酵解環(huán)境可能會(huì)放大來(lái)自不同品系的hiPSC-CM在動(dòng)作電位和鈣處理方面的差異。基于脂肪酸的MM可以減少這些差異，同時(shí)還可以減少來(lái)自同一患者細(xì)胞的樣品內(nèi)變異性，以便進(jìn)行更具預(yù)測(cè)性的藥物測(cè)試。

電流和鈣處理機(jī)制對(duì)單層細(xì)胞和MPS動(dòng)作電位貢獻(xiàn)的數(shù)學(xué)模型

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41551-022-00884-4

審核編輯 ：李倩