一款模擬心臟心肌搏動和毛細(xì)血管屏障功能的心臟芯片

中藥因其成分復(fù)雜，量效毒關(guān)系不明確，因而其藥物毒性尤其是心臟毒性在日常給藥和新藥研發(fā)過程中一直備受關(guān)注。目前，中藥的臨床前研究較普遍使用的有動物實(shí)驗(yàn)和體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)。然而動物實(shí)驗(yàn)有實(shí)驗(yàn)周期過長、耗資巨大、存在著倫理爭議等問題；體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)因受傳統(tǒng)孔板模型的限制，難以模擬出體內(nèi)器官組織復(fù)雜的微環(huán)境，因此在很大程度上影響其對于潛在毒性的篩查效果。而器官芯片能夠模擬人體特定器官（如心臟、肺和肝等）的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜生理功能，提供比二維靜態(tài)細(xì)胞培養(yǎng)和動物模型更準(zhǔn)確的藥物測試數(shù)據(jù)，在藥物篩選和個性化醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，大連理工大學(xué)化工學(xué)院羅勇教授團(tuán)隊(duì)的王帥等人構(gòu)建了一款模擬心臟心肌搏動和毛細(xì)血管屏障功能的心臟芯片，用于雷公藤甲素、氯化兩面針堿、莨菪堿３種藥物化學(xué)成分心臟毒性的臨床前評價，并以論文形式發(fā)表于《大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)》。

如圖1所示，該心臟芯片為上下對齊的兩腔室結(jié)構(gòu)，上層結(jié)構(gòu)為血管屏障模塊，將原代血管內(nèi)皮細(xì)胞種植多孔膜A上；下層為心臟模塊，將心肌細(xì)胞種植下層腔室最上層的多孔膜B上，兩層多孔膜背靠背在芯片內(nèi)緊貼。每層有獨(dú)立的液體流動通道，可以實(shí)現(xiàn)每種細(xì)胞所需培養(yǎng)液的獨(dú)立供給。原代血管內(nèi)皮細(xì)胞與原代心肌細(xì)胞通過多孔膜實(shí)現(xiàn)物質(zhì)交流，在真實(shí)心臟中心肌細(xì)胞通過遍布心臟內(nèi)部的血管來進(jìn)行物質(zhì)代謝，心肌細(xì)胞并沒有直接暴露在血液中，所以在器官芯片中于心肌細(xì)胞上層加一層血管模塊從仿生性角度具有現(xiàn)實(shí)根據(jù)。

圖1 心臟芯片設(shè)計(jì)圖

該心臟芯片制造組裝完成后，將兩個出液口與裝有細(xì)胞培養(yǎng)液的5ml注射器相連，使用注射泵實(shí)現(xiàn)注射器穩(wěn)定向芯片內(nèi)灌注培養(yǎng)液，芯片內(nèi)液體流向如圖2所示。其中，血管內(nèi)皮細(xì)胞層的α-MEM培養(yǎng)液流速為2μl/min；由于心肌細(xì)胞在體內(nèi)不直接接觸血液，心肌細(xì)胞層的α-MEM培養(yǎng)液流速設(shè)置為注射泵最低流速１μl/min，用５ml離心管收集芯片流出的培養(yǎng)液。

圖2 心臟芯片內(nèi)液體流向

實(shí)驗(yàn)采用檢測細(xì)胞上清液中乳酸脫氫酶（LDH）、心肌肌鈣蛋白Ⅰ（cTnⅠ）的表達(dá)水平作為評價藥物心臟毒性指標(biāo)。藥物作用后培養(yǎng)液內(nèi)的LDH、cTnⅠ濃度變化都呈現(xiàn)出劑量依賴性。在低濃度下，心臟芯片中的LDH、cTnⅠ檢測值均低于孔板實(shí)驗(yàn)，在較高濃度下，因?yàn)檠軆?nèi)皮細(xì)胞大量死亡導(dǎo)致其屏障功能被破壞，芯片和孔板的心肌細(xì)胞受損情況更為接近。研究結(jié)果表明，與孔板模型相比，藥物經(jīng)過血管內(nèi)皮細(xì)胞層后運(yùn)輸至心肌細(xì)胞這一結(jié)構(gòu)可以顯著提高心肌細(xì)胞藥物毒性的耐受性，驗(yàn)證了心臟芯片的仿生性優(yōu)勢，證明本芯片有潛力成為未來檢測藥物心臟毒性的體外模型。

原文鏈接：

https://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10141-1021696842.htm

審核編輯 ：李倩