Cyborg技术分析干细胞衍生心脏组织的功能成熟

动物模型研究表明，干细胞来源的心脏组织在治疗心脏病方面具有广阔的应用前景。但在此类疗法对人类可行且安全之前，科学家们必须首先在细胞和分子水平上准确了解植入的干细胞来源的心脏细胞在周围组织中在三个维度上正常生长和整合所必需的因素。

哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS)的新发现首次使监测心肌细胞(负责通过同步电信号调节心跳的细胞)的功能发育和成熟成为可能-使用组织嵌入的纳米电子设备的细胞水平。Science Advances 的一篇论文报道了这些设备——它们灵活、可拉伸，并且可以与活细胞无缝结合以创建“半机械人” 。

“这些网状纳米电子器件旨在随着组织的生长而伸展和移动，可以持续捕捉感兴趣的单个干细胞衍生心肌细胞内的长期活动，”该论文的共同资深作者、助理研究员 Jia Liu 说。 SEAS 生物工程教授，领导一个 致力于生物电子学的实验室。

Liu 的团队专门研究工程纳米电子学以弥合活体组织和电子学之间的差距，他们开发了几种网状、微创的柔性纳米电子传感器，旨在嵌入自然组织中，而不会干扰正常的细胞生长或功能。

“大自然向我们展示了以 3D 方式监测组织的解决方案，”刘说。“我们的灵感来自神经管在发育过程中折叠的方式，随着细胞迁移和形成组织体积而伸展。”

他的团队在 2019 年创建了他们的第一个半机械人类器官，以测试使用网状纳米电子结构的想法，并且之前已经证明这些类型的柔性纳米电子可以安全地植入活体小鼠体内，而不会破坏附近细胞的功能。

在他们的最新研究中，Liu 的实验室与Richard Lee及其在哈佛干细胞研究所的团队合作，使用纳米电子学监测干细胞来源的心肌细胞的电活动。为此，研究人员将细胞培养到一张由市售细胞基质(称为“Matrigel”)和网状纳米电子传感器(其中包含一个灵活的微电极网格)制成的薄片上。随着细胞生长并发育成一个小的类器官结构，研究人员观察到，当干细胞衍生的组织在 3D 环境中增殖和扩张时，该薄片很容易拉伸并容纳它们。

在体外实验中使用这些技术，研究小组发现调节血管和周围组织之间血流的血管内壁细胞(称为内皮细胞)在干细胞来源的心肌细胞的快速和功能成熟中发挥着以前被低估但至关重要的作用. 当在 3D 心脏组织基质中一起培养时，心肌细胞在内皮细胞存在的情况下经历了“非凡的电成熟”。

在监测发育中的类器官的七周过程中，该团队观察到与内皮细胞的接近程度有直接影响。与距离内皮细胞较远的心肌细胞相比，在内皮细胞附近培养的心肌细胞成熟得更快，并且它们还显示出通常在健康心脏组织中发现的电学特征。

新的见解是工程干细胞衍生心脏组织的飞跃。对具有类人心脏的动物进行的临床前实验研究已经证明，很难设计和移植干细胞衍生的心肌细胞，这些心肌细胞可以与周围的心脏组织一起跳动很长时间。移植到动物心脏中的未成熟心肌细胞往往会随着自己的鼓跳动，而这种电失火会导致危险的不规则心跳。这就是为什么将干细胞来源的心肌细胞与内皮细胞共培养可以产生功能更成熟的心肌细胞这一发现如此重要的原因。

在他们的新论文中，该团队还描述了使用一种新的基于机器学习的分析来解释组织嵌入的纳米电子设备捕获的电活动，从而能够连续监测由感兴趣的成熟心肌细胞产生的电波，并能够更好地理解组织微环境如何影响电稳定性。

刘说，纳米电子设备和基于机器学习的分析代表了用于监测和管理干细胞衍生组织植入物的新平台技术——使科学家能够培养由活体组织和电子产品制成的机器人，这些机器人可以高度特异性地控制。在心脏组织中，他设想有一天这些机器人甚至可以用于复杂的实时反馈系统，以检测心肌细胞中的异常电活动并提供高度针对性的电压，就像纳米级起搏器一样，以帮助纠正植入的细胞并确保它们正常运行。继续与心脏的其他部分一起跳动。

“如果我们同时拥有纳米电子传感器和刺激器，我们就可以监测电活动并使用反馈将植入组织调整到与周围组织相同的频率，”刘说。“这种方法可以适用于许多其他类型的干细胞衍生组织，例如神经元组织和胰腺类器官。”

他还表示，这种纳米电子平台方法可用于药物筛选，提供单细胞水平的连续分析，以了解组织对不同化合物和疗法的反应。

哈佛大学技术开发办公室 保护了这项研究产生的知识产权，并正在探索商业化机会。