在芯片上模拟心肌衰竭，为新药与个人化疗法开辟新道路

近日，美国南加州大学 Alfred E. Mann 生物医学工程系的科学团队表示，他们已经开发出一种“心脏病芯片（heart attack on a chip）”的模拟装置，希望这种装置有朝一日可以用来开发新药或是个人化药物。

生物医学工程、干细胞生物学和再生医学副教授 Megan McCain 博士表示，他们开发的设备在一个相对简易的系统中，复制了心脏病发作时的一些关键特征，使他们能够更清楚了解心脏病发病后的变化，并可以进一步开发和测试最有效的药物，限制心脏病发作后可能发生的心肌组织退化。这项研究发表在《 Science Advances 》期刊上。

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独特的微生理系统协助观察氧气梯度对心脏的调节

当心肌梗塞发生时，受伤的缺氧组织与相邻的含氧量正常的组织之间的边界，称为边界区 ( border zone ) ，边界区的特征在于氧气的梯度。然而，由于现有实验模型的侷限性，科学界对氧气梯度对心脏功能的影响所知甚少。因此，研究团队设计了一个微生理系统，以工程化的方式将心脏暴露在模拟边界区的氧气梯度中，并测量梯度对机电功能和转录功能的影响。梯度延迟了钙的释放、再摄取和传播；降低舒张压和收缩压的高峰；并增加心肌梗塞标志的发炎的骨牌效应。这些变化不同于暴露在均匀足氧或缺氧的组织中观察到的变化，表明氧气梯度对心脏组织表型不同的调节。

在大多数的情况下，心脏病发后的幸存者随着时间的推移，他们会变得越来越容易疲劳和生病，以致有些患者后续死于心脏衰竭。那是因为心脏细胞无法像其他肌肉细胞那样再生。相反地，免疫细胞若出现在受伤的部位，其中一些可能是有害的，而疤痕的形成更会削弱心脏输送血液的能力。

然而，科学家对这过程并不完全了解，尤其是心脏健康部位和受伤部位的细胞如何相互交流，以及它们在心脏病发作后为什么及如何发生变化？现在，研究团队希望芯片的心脏病发作模型可以揭开这些谜团。

从头开始建造方形微流体模型

芯片上的心脏病发作模型底部是一个 22mm x 22mm 的方形微流体芯片（microfluidic chip）装置，由称为聚二甲基硅氧烷 ( Polydimethylsiloxane，PDMS ) 的橡胶状聚合物制成。这个聚合物在相对的两侧有两个通道，可以精准地控制流体的方向和体积，让气体从中流过。上面是一层非常薄的相同橡胶材料，可以让氧气渗透过去。然后在芯片顶部形成一层微蛋白质，使心脏细胞对齐，长成与人类心脏组织相同的结构，最后，再让囓齿动物的心脏细胞在蛋白质上生长。

为了模拟心脏病发作，含氧气体和不含氧气体借由微流体装置的每个通道释放，让芯片上的心脏暴露在氧气梯度中，模拟出类似心脏病发作时的真实情况。

由于微流体设备体积小、清晰且易于在显微镜下观察，让研究人员能够及时观察心脏病发作后会发生的功能变化，包括心律失调或心律不整，以及收缩功能障碍，或收缩强度降低。

相较之下，研究人员无法借由动物模型及时观察心脏组织的变化。此外，传统的细胞培养模型将心脏细胞均匀地暴露在高、中或低水平的氧气中，而非不同的氧气梯度，也意味着传统方法无法模拟心脏病发作后所谓边界区受损的心脏细胞的真实情况。未来，研究人员可能会透过添加免疫细胞或成纤维细胞（心脏病发作后产生疤痕的细胞）来使模型更加复杂，并由这个开端着手，进一步开发和测试有效限制心脏病发作后造成心脏组织退化的药物。

延伸阅读：什么让心肌梗塞幸存者发展出慢性心脏衰竭？铁沉积成为关键

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