
将心肌组织收缩转换为薄膜弯曲
Lab on a Chip 报道的心脏芯片,将原代大鼠心肌细胞培养在柔性聚合物薄膜上。组织沿预设方向排列,收缩时带动薄膜弯曲,研究根据曲率、材料刚度和厚度计算组织产生的应力。
模型使用 2 日龄大鼠心室来源心肌细胞,培养 4 天后开始功能实验。芯片安装在单通道灌流装置中,温度保持 37 °C,并用 2 Hz 电刺激使组织按统一频率收缩。
每个薄膜同时提供舒张应力、收缩峰值应力和两者之差。论文将这个差值称为 twitch stress,用来比较一次收缩产生的应力增量。显微成像记录薄膜运动,组织染色则用于观察肌节排列。
一块芯片可获得多个组织单元的测量
一个代表性芯片获得了 35 个薄膜的功能测量,收缩峰值应力平均为 15.4±1.4 kPa,应力增量为 12.7±1.1 kPa。每个薄膜的数值由 4 个收缩周期计算;35 个薄膜属于同一芯片上的组织单元。
研究还比较了 4 种表面排列图案:15 μm 宽的条纹分别由 2、3、4 或 5 μm 间隔分开。每种条件用 1 块芯片,得到至少 28 个薄膜的功能数据;不同图案的舒张、峰值或收缩应力增量没有显著差异,肌节排列指标也没有显著差异。
同芯片各薄膜的收缩强度仍有差异。论文将这种变化与局部细胞数量、图案质量等因素联系起来,并以结构成像配合功能结果分析。
灌流给药形成异丙肾上腺素剂量曲线
药物实验使用异丙肾上腺素这一 β 肾上腺素能受体激动剂。研究先记录无药物基础状态,再逐次提高灌流浓度,每次提高 10 倍,最高为 100 μM。每个浓度均计算 4 个收缩周期的应力。
在含药灌流的 1 块芯片上,19 个薄膜共同形成剂量–反应曲线。异丙肾上腺素提高了组织收缩应力增量,论文报告 pD₂ 为 5.75;pD₂ 表示产生半最大反应的摩尔浓度的负对数。
无药物对照在相同时间点灌入新鲜缓冲液,并测量 23 个薄膜。对照组织在测量期间保持基础收缩强度,帮助区分药物效应与持续测量造成的时间变化。
以功能测量配合组织结构比较
这项研究以离体大鼠来源心肌组织展示了薄膜弯曲、灌流给药和组织成像的组合。论文把药物曲线与既有大鼠心脏及体外测量文献比较,认为测得的异丙肾上腺素响应和 pD₂ 与已有报道相近。
研究提出,可将平台用于稀缺或昂贵细胞来源的组织,以及与其他器官模型组合。当前药物实验采用大鼠心肌细胞,其曲线与样本层级为后续更换细胞来源时的参照。