综述从细胞组成与成熟度、功能测量及参照药物作用类型,讨论心脏芯片的药物评价用途。
综述从细胞组成与成熟度、功能测量及参照药物作用类型,讨论心脏芯片的药物评价用途。(NAMs China)

先确定细胞具备什么状态,再看器件有多复杂

心脏芯片能把人源心肌细胞放在可控的流动、力学和电刺激环境中,连续观察药物反应。2026 年 9 月发表于 Micromachines 的综述,把这类平台的进展归纳为多细胞共培养、机电刺激、血管结构和实时检测等方向;作者关注的核心问题,是实验室培养的心肌细胞仍常带有未成熟特征。

细胞排列更整齐、肌节更清晰,并不必然意味着电活动、代谢和收缩都达到成人心肌水平。综述讨论了长期培养、三维组织、机械牵张及电刺激等策略,也提醒这些改善取决于细胞来源和具体培养条件。因此,成熟度应落到与用途有关的测量,而不只是显微图上的外观。

增加内皮或成纤维细胞,也增加了需要控制的条件

作者梳理了从单一心肌细胞到多细胞共培养的变化。内皮细胞、成纤维细胞及免疫细胞,可以使模型包含更多细胞间信号和屏障作用;在研究药物进入组织或组织损伤时,这些成分可能改变观察到的反应。

但更多细胞也增加了培养条件的控制难度。不同细胞的培养需求可能冲突,自组织微血管也未必具有真实心肌毛细血管的结构,长期刺激还可能影响血管稳定性。作者将细胞组成、供养、重复性和器件复杂度视为需要共同考虑的问题。

电活动、钙信号和收缩力需要分别解释

综述区分了几类常用读数。多电极阵列可测场电位和传导相关变化;光学测量可跟踪钙瞬变、细胞排列和组织运动;柔性支柱或线材的位移,经适当校准后可用于估计收缩力。离线染色和分子测量,则补充细胞结构及状态信息。

组织运动、钙瞬变、场电位和经校准的位移分别描述不同功能。结构或标志物改善后,仍需检查与研究问题对应的电学或力学指标。把实时读数与离线表征放在同一实验设计中,有助于解释药物改变了哪个环节。

参照药的作用类型决定已验证的范围

作者指出,一些模型只使用一种药物,或只比较少量影响心率和收缩的药物。这类结果可以证明平台对特定扰动有反应,却不足以覆盖氧化应激、电信号抑制、直接细胞损伤等不同机制。

材料同样影响药物评价。聚二甲基硅氧烷等器件材料可能吸收小分子,使设定浓度偏离实际暴露。由此,评价药物反应时需要把材料损失、测量终点和参照药的作用类型一并考虑,而不能只展示某种药物引起了预期方向的变化。

多器官联用提供更多信息,也需要说明各自的贡献

综述还讨论了心脏与肝、肿瘤或屏障模块联用的研究。这种设计可以在同一系统中观察代谢、抗肿瘤作用和心脏影响之间的关系,为仅用心肌细胞直接加药的实验补充信息。

综述将重复性、成熟度、功能表现和参照药覆盖列为平台应用的关键条件。药物评价需根据研究问题,综合考察细胞状态、实际测量终点与测试药物的作用类型。

来源与延伸阅读

  1. Recent Developments, Applications, and Future Prospects of Advanced Hearts-on-a-Chip. Micromachines. 2026. DOI: 10.3390/mi17091079 ↗