用半球形膜形成可推动液体的心室模型

Advanced Healthcare Materials 报道的体外心室模型,把人诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)来源心肌细胞培养在柔性的半球形聚二甲基硅氧烷膜上。心肌同步收缩使膜变形,进而推动内部培养液。

膜经表面功能化后支持细胞附着,模型在生物反应器内培养,并以流量传感器连续记录液体移动。研究比较纯心肌、心肌与心脏成纤维细胞、心肌与心脏微血管内皮细胞 3 种条件。

单培养与共培养的持续时间不同

纯心肌模型的搏动和液流持续至第 28 天,平均搏动频率约在每分钟 70–98 次之间。研究从流量计算每次收缩排出量,并以频率乘排出量得到理论输出量;纯心肌组平均理论输出约为 0.5–1.2 μL/分钟。

共培养增加了部分排出量和流量指标,但使用不同培养液,并在第 14 天后因支持细胞过度生长而难以继续维持。纯心肌长期测量使用 5 个模型,共培养测量使用 3 个模型。

纯心肌模型内的肌节长度平均为 2.03±0.16 μm。心室相关基因表达也发生变化,但不同成熟指标的变化并不一致,例如线粒体转录因子 A(TFAM)的表达在工程心室与起始参照之间没有显著差异。

两种药物改变频率和排出量

药物比较在用药前测量基础流量,加入 10 μM 异丙肾上腺素或 10 μM 卡巴胆碱,60 分钟后再次记录。每个培养条件的药物分析使用 4 个心室模型。

异丙肾上腺素使平均搏动频率增加约 30.6%–45.9%,计算输出量增加约 98.2%–189.1%;卡巴胆碱使频率降低约 12.6%–23.7%,计算输出量降低约 44.0%–72.7%。变化范围对应不同细胞组合。

排出量和最大流量也出现相应方向的变化。三种细胞组合在同一药物组内的比较未达到统计学显著差异,部分共培养指标的标准差较大。

心室模型在异丙肾上腺素或卡巴胆碱处理前后的液流,以及搏动频率、理论输出量、排出量和最大流量变化。

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心室模型在异丙肾上腺素或卡巴胆碱处理前后的液流,以及搏动频率、理论输出量、排出量和最大流量变化。(Kuckelkorn C et al. / Advanced Healthcare Materials, 2025, Figure 6;CC BY 4.0;NLM/PMC)

模型把收缩与液流放在同一测量中

模型将收缩推动液体的结果分为搏动频率、每次收缩排出量和理论输出量等指标。理论输出量由体外流量计算所得,可用于比较用药前后的变化。

作者提出,后续可加入患者来源细胞和疾病相关条件。当前材料尚未覆盖患者之间的遗传和表型差异,共培养的过度生长也限制了长期比较。

来源与延伸阅读

  1. Engineered In Vitro Multi‐Cell Type Ventricle Model Generates Long‐Term Pulsatile Flow and Modulates Cardiac Output in Response to Cardioactive Drugs. Advanced Healthcare Materials (2025). ↗

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