
薄膜弯曲让长培养的心肌功能可以测量
哈佛大学(Harvard University)团队在 2014 年报道微模压明胶水凝胶,用于支持心肌组织并延长功能培养。研究针对慢性药物心毒性评价的一项实际局限:体外心肌组织的功能寿命往往短于长期暴露需求。
团队把心肌细胞排列在明胶肌肉薄膜(muscular thin film,MTF)上。组织收缩时薄膜弯曲,研究者结合曲率、膜厚和弹性模量计算应力,并区分舒张应力、收缩应力及两者之差形成的净收缩应力。
主要比较采用新生大鼠心室肌细胞;商品化人心肌细胞另作延长培养展示。这两部分回答的对象和验证规模不同。
大鼠心肌长期培养后保持搏动和收缩应力
4 周观察中,纤维连接蛋白图案化 PDMS 组的自发搏动构建体逐渐减少,末期约 40%;明胶组末期约 80%。图 4 分母分别为 12 和 11 个盖玻片构建体,比例描述的是有搏动的构建体。
团队还比较培养 4 天与 25 天的明胶 MTFs,每组 24 个薄膜。两时点舒张和收缩应力没有显著差别,25 天组在 2 至 4 Hz 起搏时的净收缩应力较高。
这些收缩测量来自多个新生大鼠心肌细胞分离批次,每个时点共测量 24 个薄膜。
代谢比较另用均匀表面与不同明胶配方
代谢测量采用均匀铺展的二维组织,分别放在 5% 明胶、1% 转谷氨酰胺酶交联的表面,或纤维连接蛋白包被 PDMS 上。薄膜实验使用的 10% 明胶和 4% 交联酶配方并没有直接用于这一子实验。
研究以氧消耗变化估计基础呼吸、ATP 相关呼吸及备用呼吸容量。明胶组的备用呼吸容量较高,基础呼吸与 ATP 相关指标则没有显著差别。图 5 为 22 个明胶组织与 17 个 PDMS 组织,采自 3 次细胞分离批次。
作者认为较大的代谢储备可能有助于延长功能寿命,但不同材料化学、刚度及微结构都可能参与。现有比较没有把某一因素确定为唯一原因。
人源心肌在培养第 28 天仍能响应起搏
商业 Cor.4U 人心肌细胞(原文标为诱导多能干细胞来源,induced pluripotent stem cells,iPSCs)在明胶 MTF 上培养 28 天后,形成排列组织,并产生可计算的收缩应力。最高可稳定响应的起搏频率为 3.5 Hz,继续升高时只能响应隔次刺激。
人源组织的净收缩应力低于新生大鼠组织,作者将其与干细胞来源心肌的未成熟状态联系起来。该结果展示长期功能测量的可行性,没有证明各批人细胞都具有同样性能。
不同物种的功能展示和材料对照,为长期心肌培养建立了可测的收缩基线。本篇的慢性心毒性用途仍属于作者提出的后续应用。