
先形成球状体,再在芯片中融合
弗劳恩霍夫界面工程与生物技术研究所(Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology)等团队建立 SpheroFlow 心脏芯片,把人诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)来源心肌细胞与人皮肤成纤维细胞按 3∶1 混合。
预先形成的球状体直径约为 150 μm,进入芯片后约 24 小时内融合为沿长轴排列的组织。免疫染色及多层细胞核成像显示,这些小球重排成一个三维心肌单元。
进入芯片约 3 天后,组织通常出现自发搏动。研究用视频中的运动向量分析收缩和舒张,提取搏动频率;培养液通过独立通道灌流。
电刺激检验组织跟随节律的能力
研究在第 5 天改变刺激频率,并同步记录视频。所有受测组织可跟随至 1.5 Hz,部分组织能跟随至 2 Hz;超过各自上限后,组织会漏掉交替刺激,实际搏动频率降至刺激频率的一半。
电刺激利用培养液通道的金属接口施加,芯片内无需另设同类刺激电极。本文把这种设计作为短时间控制节律的方法验证。
刺激频率提高时,组织附近的氧下降更明显
芯片底部的光学传感点监测局部氧分压。研究对两份组织交替施加 0.7、1.0、1.2 和 1.5 Hz 刺激,刺激开始时氧分压下降,结束后回升;较高频率伴随更大的相对变化。
空芯片的连续监测与电刺激对照未出现相同下降,支持把变化与组织活动增加联系起来。研究测得的是局部氧分压变化,定量耗氧仍需要进一步校准。
平台已验证组织与传感功能,药物测试仍是后续用途
这项工作实测了球状体融合后的排列、收缩、节律跟随及氧响应。作者提出进一步用同一平台研究成熟、代谢变化和药物对组织耗氧的影响。
当前配入的是皮肤成纤维细胞,作者建议在电生理研究中改进心脏相关非心肌细胞组成。电刺激主要测试到 10 分钟,长期刺激、芯片成像及各传感点的一致校准仍有改进空间。