微孔板。
来源:Nieuw / Wikimedia Commons(CC BY-SA 3.0)

把收缩测量整合到芯片中

Nature Materials 报道的装置将培养结构、柔性应变传感器和导电连接集成在同一三维打印系统内。每个装置有 8 个独立培养孔,心肌组织附着在带有应变计的柔性悬臂上,收缩时产生的形变转为电阻变化。

研究分别使用新生大鼠心室肌细胞和人诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)来源心肌细胞。表面沟槽引导组织排列,系统可放在培养箱中持续采集信号,减少每次测量都要转移组织和重复显微分析的负担。

传感器与光学测量交叉比较

研究建立多层悬臂的力学模型,将电阻变化换算为弯曲程度和组织产生的应力。电子记录与同步光学追踪所得的收缩应力较接近,提供了传感器测量的直接参照。

收缩开始时,电阻记录曾出现短暂下降,随后才随悬臂弯曲增加。作者将其解释为初期轴向压缩,并指出这一现象没有改变计算所得的收缩应力。数据采集后通过峰值与局部基线信号比较计算组织搏动。

药物试验区分大鼠与人源组织

研究在培养箱内按递增浓度加入维拉帕米和异丙肾上腺素,每个浓度平衡 10 分钟后记录至少 30 秒。大鼠薄层组织在 1 Hz 刺激下,维拉帕米使收缩应力下降,半数有效浓度约为 1.15 μM。

人源薄层组织在 2 Hz 刺激下,异丙肾上腺素使收缩应力增加,半数有效浓度约为 2.69 nM。自主搏动频率和刺激条件下的收缩应力是分别分析的指标,药物结果也对应各自的细胞来源。

装置还支持更厚的多层心肌组织。论文用大鼠细胞完成这一结构的药物概念验证,观察到两种药物预期方向的收缩反应。

连续记录人源组织的收缩变化

在人源心肌组织的 28 天培养中,收缩应力从第 2 至第 4 天明显增加,之后继续较缓慢上升,自主搏动频率则下降。成像也记录了肌节定向排列、周期性结构及长度的变化。

来源与延伸阅读

  1. Instrumented cardiac microphysiological devices via multi-material 3D printing. Nature Materials (2016). ↗

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