在晶片上模擬心肌衰竭，為新藥與個人化療法開闢新道路

近日，美國南加州大學 Alfred E. Mann 生物醫學工程系的科學團隊表示，他們已經開發出一種「心臟病晶片（heart attack on a chip）」的模擬裝置，希望這種裝置有朝一日可以用來開發新藥或是個人化藥物。

生物醫學工程、幹細胞生物學和再生醫學副教授 Megan McCain 博士表示，他們開發的設備在一個相對簡易的系統中，複製了心臟病發作時的一些關鍵特徵，使他們能夠更清楚了解心臟病發病後的變化，並可以進一步開發和測試最有效的藥物，限制心臟病發作後可能發生的心肌組織退化。這項研究發表在《 Science Advances 》期刊上。

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獨特的微生理系統協助觀察氧氣梯度對心臟的調節

當心肌梗塞發生時，受傷的缺氧組織與相鄰的含氧量正常的組織之間的邊界，稱為邊界區 ( border zone ) ，邊界區的特徵在於氧氣的梯度。然而，由於現有實驗模型的侷限性，科學界對氧氣梯度對心臟功能的影響所知甚少。因此，研究團隊設計了一個微生理系統，以工程化的方式將心臟暴露在模擬邊界區的氧氣梯度中，並測量梯度對機電功能和轉錄功能的影響。梯度延遲了鈣的釋放、再攝取和傳播；降低舒張壓和收縮壓的高峰；並增加心肌梗塞標誌的發炎的骨牌效應。這些變化不同於暴露在均勻足氧或缺氧的組織中觀察到的變化，表明氧氣梯度對心臟組織表型不同的調節。

在大多數的情況下，心臟病發後的倖存者隨著時間的推移，他們會變得越來越容易疲勞和生病，以致有些患者後續死於心臟衰竭。那是因為心臟細胞無法像其他肌肉細胞那樣再生。相反地，免疫細胞若出現在受傷的部位，其中一些可能是有害的，而疤痕的形成更會削弱心臟輸送血液的能力。

然而，科學家對這過程並不完全了解，尤其是心臟健康部位和受傷部位的細胞如何相互交流，以及它們在心臟病發作後為什麼及如何發生變化？現在，研究團隊希望晶片的心臟病發作模型可以揭開這些謎團。

從頭開始建造方形微流體模型

晶片上的心臟病發作模型底部是一個 22mm x 22mm 的方形微流體晶片（microfluidic chip）裝置，由稱為聚二甲基矽氧烷 ( Polydimethylsiloxane，PDMS ) 的橡膠狀聚合物製成。這個聚合物在相對的兩側有兩個通道，可以精準地控制流體的方向和體積，讓氣體從中流過。上面是一層非常薄的相同橡膠材料，可以讓氧氣滲透過去。然後在晶片頂部形成一層微蛋白質，使心臟細胞對齊，長成與人類心臟組織相同的結構，最後，再讓囓齒動物的心臟細胞在蛋白質上生長。

為了模擬心臟病發作，含氧氣體和不含氧氣體藉由微流體裝置的每個通道釋放，讓晶片上的心臟暴露在氧氣梯度中，模擬出類似心臟病發作時的真實情況。

由於微流體設備體積小、清晰且易於在顯微鏡下觀察，讓研究人員能夠及時觀察心臟病發作後會發生的功能變化，包括心律失調或心律不整，以及收縮功能障礙，或收縮強度降低。

相較之下，研究人員無法藉由動物模型及時觀察心臟組織的變化。此外，傳統的細胞培養模型將心臟細胞均勻地暴露在高、中或低水平的氧氣中，而非不同的氧氣梯度，也意味著傳統方法無法模擬心臟病發作後所謂邊界區受損的心臟細胞的真實情況。未來，研究人員可能會透過添加免疫細胞或成纖維細胞（心臟病發作後產生疤痕的細胞）來使模型更加複雜，並由這個開端著手，進一步開發和測試有效限制心臟病發作後造成心臟組織退化的藥物。

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參考資料：
1. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36475790/
2. https://viterbischool.usc.edu/news/2022/12/saving-lives-heart-attack-on-a-chip/