近日，據(jù)哈佛大學(xué)約翰·A·保羅森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的研究人員稱，現(xiàn)在首次有可能使用組織嵌入式納米電子器件在單個細(xì)胞水平上監(jiān)測心肌細(xì)胞的功能發(fā)育和成熟，這些細(xì)胞通過同步的電信號調(diào)節(jié)心跳。

根據(jù)他們在《科學(xué)進展》雜志上發(fā)表的文章《組織嵌入式可伸縮納米電子學(xué)揭示人類三維心臟微組織內(nèi)皮細(xì)胞介導(dǎo)的電性成熟》（Tissue-embedded stretchable nanoelectronics reveal endothelial cell–mediated electrical maturation of human 3D cardiac microtissues），這些柔性和可伸縮的器件可以與活體細(xì)胞集成，創(chuàng)造“半機械人”。

“將干細(xì)胞療法轉(zhuǎn)化為心臟疾病的臨床治療需要移植心肌細(xì)胞的電學(xué)整合。電學(xué)成熟的人工誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生的心肌細(xì)胞（hiPSC-CMs）的產(chǎn)生對于電學(xué)整合至關(guān)重要。在這里，我們發(fā)現(xiàn)hiPSC衍生的內(nèi)皮細(xì)胞（hiPSC-ECs）促進了hiPSC-CMs中選定的成熟標(biāo)記的表達(dá)，”調(diào)查人員寫道。

“利用組織嵌入式可伸縮網(wǎng)格納米電子學(xué)，我們實現(xiàn)了人類三維心臟微組織電活動的長期穩(wěn)定圖譜。結(jié)果顯示hiPSC-ECs加速了3D心臟微組織中hiPSC-CMs的電學(xué)成熟?；跈C器學(xué)習(xí)的偽時間軌跡推斷表明心肌細(xì)胞電信號在發(fā)育過程中進化了電性表型轉(zhuǎn)移路徑。

單細(xì)胞RNA測序

“在電學(xué)記錄數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下，單細(xì)胞RNA測序鑒定了hiPSC-ECs促進了表現(xiàn)出更成熟表型的心肌細(xì)胞亞群，hiPSC-ECs和hiPSC-CMs之間的多重配體-受體相互作用上調(diào)，揭示了hiPSC-CM電學(xué)成熟的協(xié)調(diào)多因素機制。

“總的來說，這些發(fā)現(xiàn)表明hiPSC-ECs通過多種細(xì)胞間途徑促進hiPSC-CM的電成熟。

“這些類似網(wǎng)狀的納米電子器件被設(shè)計為可以伸展和移動，以連續(xù)捕捉單個干細(xì)胞衍生的感興趣心肌細(xì)胞的長期活動，”是該論文的合作高級作者之一、哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的生物工程助理教授Jia Liu博士表示，他在該學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)一個致力于生物電子學(xué)的實驗室。

Liu的團隊專門研究工程納米電子學(xué)以彌合生物組織和電子學(xué)之間的差距，他們開發(fā)了幾種類似網(wǎng)狀的、微創(chuàng)性的柔性納米電子傳感器，旨在與自然組織嵌入，而不會干擾正常的細(xì)胞生長或功能。

“自然向我們展示了3D組織監(jiān)測的解決方案，”Liu說，“我們受到了神經(jīng)管在發(fā)育過程中折疊、隨著細(xì)胞遷移并形成組織體積的啟發(fā)?！?/p>

四年前創(chuàng)建的第一個人機器器官

他的團隊于2019年創(chuàng)建了他們的第一個人機器器官，以測試使用類似網(wǎng)狀的納米電子結(jié)構(gòu)的想法，并已經(jīng)證明這些類型的柔性納米電子器件可以安全地植入生活的小鼠中，而不會干擾附近細(xì)胞的功能。

在他們最新的研究中，Liu的實驗室與哈佛干細(xì)胞研究所的Richard Lee和他的團隊合作，使用納米電子器件監(jiān)測干細(xì)胞衍生的心肌細(xì)胞的電活動。為此，研究人員將細(xì)胞培養(yǎng)到商業(yè)上可用的細(xì)胞基質(zhì)“Matrigel”的一張薄片上，并將類似網(wǎng)狀的納米電子傳感器（其中包含柔性的微電極網(wǎng)格）放置其中。

納米電子傳感器(黃色、藍(lán)色)嵌入了天然組織(紅色、綠色)。 [Liu Lab, Harvard SEAS]

隨著細(xì)胞的生長和發(fā)展成為一個小型的器官樣結(jié)構(gòu)，研究人員觀察到該薄片可以輕松地伸展和容納干細(xì)胞來源的組織，因為它們在三維中增殖和擴展。使用這些技術(shù)進行離體實驗，團隊發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞在干細(xì)胞來源的心肌細(xì)胞快速和功能性成熟中發(fā)揮了一個先前被低估但至關(guān)重要的作用。根據(jù)劉博士的說法，當(dāng)它們在3D心臟組織基質(zhì)中一起培養(yǎng)時，心肌細(xì)胞在內(nèi)皮細(xì)胞的存在下經(jīng)歷了“非凡的電學(xué)成熟”。

在七周的器官樣體發(fā)育監(jiān)測過程中，研究團隊觀察到，與內(nèi)皮細(xì)胞的接近直接影響了心肌細(xì)胞的成熟。與內(nèi)皮細(xì)胞相鄰的心肌細(xì)胞比距離內(nèi)皮細(xì)胞更遠(yuǎn)的心肌細(xì)胞成熟得更快，并且它們還表現(xiàn)出健康心臟組織通常具有的電學(xué)特性。

科學(xué)家們表示，這一新的發(fā)現(xiàn)對于工程干細(xì)胞來源的心臟組織來說是一個飛躍。在具有類人心臟的動物中進行的實驗性臨床前研究已經(jīng)證明，工程化和移植干細(xì)胞來源的心肌細(xì)胞以便能夠與周圍的心臟組織同步跳動并持續(xù)很長時間是很困難的。移植到動物心臟中的不成熟心肌細(xì)胞往往會自行跳動，這種電學(xué)誤差可能會導(dǎo)致危險的不規(guī)則心跳。這就是與內(nèi)皮細(xì)胞共培養(yǎng)干細(xì)胞來源的心肌細(xì)胞可以創(chuàng)造更加功能成熟的心肌細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)之所以如此重要的原因，Jia Liu博士指出。

編輯：王洪

排版：李麗