在单细胞水平上监测心肌细胞的功能发育和成熟

　　来自哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)的新发现首次使得使用组织嵌入纳米电子设备在单细胞水平上监测心肌细胞的功能发育和成熟成为可能。

　　

   

   

图:纳米电子传感器(黄、蓝)嵌入了自然组织(红、绿)。

资料来源:哈佛大学

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。但是，在这种疗法可行并安全用于人类之前，科学家们必须首先在细胞和分子水平上准确地了解哪些因素是植入的干细胞来源的心脏细胞在周围组织中正确生长和三维整合所必需的。

哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)的新发现首次使得在单细胞水平上使用组织嵌入的纳米电子设备监测心肌细胞的功能发育和成熟成为可能。心肌细胞负责通过同步电信号调节心跳。《科学进展》(Science Advances)的一篇论文报道了这种灵活、可拉伸的设备，可以与活细胞无缝结合，创造出“半机械人”。

“这些网状状的纳米电子学，旨在随着生长的组织伸展和移动，可以持续捕捉单个干细胞来源的心肌细胞的长期活动，”论文的共同高级作者Jia Liu说，他是SEAS生物工程的助理教授，在那里他领导着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，以弥合活组织和电子学之间的差距，他们开发了几种网格状、微创柔性纳米电子传感器，设计用于嵌入天然组织，而不会干扰正常细胞的生长或功能。

“《自然》杂志向我们展示了3D监测组织的解决方案，我们的灵感来自于神经管在发育过程中的折叠方式，随着细胞迁移并形成组织体积而拉伸。”

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，并且此前已经证明，这些类型的柔性纳米电子设备可以安全地植入活小鼠体内，而不会破坏附近细胞的功能。

在他们最新的研究中，Jia Liu的实验室与哈佛干细胞研究所的理查德·李(Richard Lee)及其团队合作，使用纳米电子学来监测干细胞来源的心肌细胞的电活动。为了做到这一点，研究人员将细胞培养在一块由市售细胞基质(称为“Matrigel”)和网状纳米电子传感器(包含一个柔性微电极网格)制成的薄片上。当细胞生长发育成一个小的类器官结构时，研究人员观察到，当干细胞来源的组织在3D中增殖和扩张时，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液流动的血管内衬细胞(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起着以前被低估但至关重要的作用。当在三维心脏组织基质中一起培养时，心肌细胞在内皮细胞的存在下经历了“非凡的电成熟”。

在对发育中的类器官进行7周监测的过程中，研究小组观察到与内皮细胞的接近有直接影响。与远离内皮细胞的心肌细胞相比，在内皮细胞旁边培养的心肌细胞成熟得更快，而且它们还表现出在健康心脏组织中常见的电特性。

这一新发现是干细胞来源的心脏组织工程的一个飞跃。在具有类人心脏的动物身上进行的实验性临床前研究已经证明，很难设计和移植干细胞来源的心肌细胞，这些细胞可以与周围的心脏组织在很长一段时间内同步跳动。移植到动物心脏的未成熟心肌细胞往往会按自己的节奏跳动，而这种电流错误会导致危险的不规则心跳。这就是为什么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的发现如此重要。

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由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。

Liu说，纳米电子设备和基于机器学习的分析代表了监测和管理干细胞来源的组织植入物的新平台技术，使科学家能够培养由活组织和电子设备制成的半机械人，可以高度特异性地控制。在心脏组织中，他设想有一天这些电子人甚至可以用于复杂的实时反馈系统中，以检测心肌细胞的异常电活动，并提供高针对性的电压，就像纳米级起搏器一样，帮助纠正植入细胞，并确保它们继续与心脏的其他部分保持节奏。

“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，并利用反馈来调节植入组织的频率，使其与周围组织的频率相同，这种方法可以适用于许多其他类型的干细胞来源的组织，如神经元组织和胰腺类器官。”

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