
用弹性薄膜弯曲计算心肌收缩应力
哈佛大学(Harvard University)团队在 Lab on a Chip 报道“心脏芯片”,把有方向排列的心肌细胞与弹性薄膜结合。细胞来自新生大鼠心室,形成二维心肌层;一个芯片可容纳多片薄膜,支持同时观察多个组织的收缩。
心肌收缩使薄膜弯曲。研究从上方影像提取薄膜运动,再根据曲率和材料力学模型计算组织应力。薄膜厚度会影响相同应力下的弯曲程度,因此作者逐个实验测量材料厚度,以便比较不同芯片的计算应力。
在 37°C、2 Hz 起搏条件下,3 个芯片、共 20 片薄膜的测量中,平均收缩期应力为 20.7±5.6 kPa,舒张期应力为 8.0±2.0 kPa。作者把这些应力值与既有大鼠心室肌条文献中的范围比较,同时说明二维细胞层仍不能完整重现三维心肌结构。
肾上腺素提高搏动频率,排列程度影响应力
药物比较以肾上腺素(epinephrine)观察自发收缩。浓度从 10⁻⁹ M 增至 10⁻⁶ M 时,搏动频率约增至原来的 4 倍。原文图 4 的这条药物反应曲线来自 2 片薄膜,是平台观察药理响应的示范。
研究还比较了排列方向较一致与较杂乱的心肌组织。细胞排列程度较高的组织产生更高的舒张期和峰值收缩期应力,提示组织结构会影响收缩应力。平台因而可以把药物反应与组织本身的排列特征联系起来观察。
电活动与收缩在同一组织上先后检测
完成收缩测量后,作者把芯片转至光学电活动测量系统,记录动作电位形态与传播波前。同一组织可提供力学、电活动和细胞结构资料,但当时需要切换两套显微系统,实验时长受细胞存活限制。
同步记录电活动和收缩是作者提出的后续改进方向。本文已完成的是组织尺度的收缩药理示范及关联测量,可为继续检验药物反应提供平台依据。