動物模型研究表明，干細(xì)胞來源的心臟組織在治療心臟病的治療應(yīng)用中具有廣闊的潛力。但是，在這種療法可行且安全地用于人類之前，科學(xué)家必須首先在細(xì)胞和分子水平上精確了解植入的干細(xì)胞衍生的心臟細(xì)胞在周圍組織中的三維中正確生長和整合所需的因素。

哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的新發(fā)現(xiàn)首次使得使用組織嵌入的納米電子設(shè)備在單細(xì)胞水平上監(jiān)測心肌細(xì)胞(負(fù)責(zé)通過同步電信號調(diào)節(jié)心跳的細(xì)胞)的功能發(fā)育和成熟成為可能。.這些設(shè)備是靈活的，可拉伸的，可以與活細(xì)胞無縫集成以創(chuàng)建“半機(jī)械人” - 在科學(xué)進(jìn)展論文中報道。

“這些網(wǎng)狀納米電子學(xué)，旨在隨著生長的組織而拉伸和移動，可以連續(xù)捕獲感興趣的單個干細(xì)胞衍生心肌細(xì)胞中的長期活動，”該論文的共同資深作者Jia Liu說，他是SEAS生物工程助理教授，他領(lǐng)導(dǎo)著一個致力于生物電子學(xué)的實(shí)驗(yàn)室。

劉的團(tuán)隊(duì)專門從事納米電子工程，以彌合活組織和電子學(xué)之間的差距，已經(jīng)開發(fā)了幾種網(wǎng)狀，微創(chuàng)柔性納米電子傳感器，旨在嵌入天然組織而不會干擾正常的細(xì)胞生長或功能。

“大自然向我們展示了3D監(jiān)測組織的解決方案，”劉說。“我們的靈感來自神經(jīng)管在發(fā)育過程中折疊的方式，隨著細(xì)胞遷移并形成組織體積而拉伸。

他的團(tuán)隊(duì)在2019年創(chuàng)造了他們的第一個半機(jī)械人類器官，以測試使用網(wǎng)狀納米電子結(jié)構(gòu)的想法，并且之前已經(jīng)證明這些類型的柔性納米電子學(xué)可以安全地植入活小鼠體內(nèi)，而不會破壞附近細(xì)胞的功能。

在他們最新的研究中，劉的實(shí)驗(yàn)室與哈佛干細(xì)胞研究所的Richard Lee及其團(tuán)隊(duì)合作，使用納米電子學(xué)來監(jiān)測干細(xì)胞衍生的心肌細(xì)胞的電活動。為此，研究人員將細(xì)胞培養(yǎng)到由市售細(xì)胞基質(zhì)(稱為“Matrigel”)和網(wǎng)狀納米電子傳感器(包含柔性微電極網(wǎng)格)制成的片材上。

隨著細(xì)胞生長并發(fā)育成一個小的類器官結(jié)構(gòu)，研究人員觀察到，當(dāng)干細(xì)胞衍生組織在3D中增殖和擴(kuò)張時，該片很容易拉伸并容納干細(xì)胞衍生組織。

在體外實(shí)驗(yàn)中使用這些技術(shù)，研究小組發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)血管和周圍組織之間血流的血管襯里細(xì)胞(稱為內(nèi)皮細(xì)胞)在干細(xì)胞來源的心肌細(xì)胞的快速和功能成熟中起著以前被低估但至關(guān)重要的作用。當(dāng)在3D心臟組織基質(zhì)中一起培養(yǎng)時，心肌細(xì)胞在內(nèi)皮細(xì)胞存在下經(jīng)歷了“非凡的電成熟”。

在監(jiān)測發(fā)育中的類器官的七周過程中，研究小組觀察到接近內(nèi)皮細(xì)胞有直接影響。與遠(yuǎn)離內(nèi)皮細(xì)胞的心肌細(xì)胞相比，培養(yǎng)在內(nèi)皮細(xì)胞旁邊的心肌細(xì)胞成熟得更快，并且它們還顯示出健康心臟組織中常見的電特性。

這一新見解是工程干細(xì)胞衍生心臟組織的一次飛躍。在具有類似人類心臟的動物中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)性臨床前研究已經(jīng)證明，很難設(shè)計和移植干細(xì)胞來源的心肌細(xì)胞，這些心肌細(xì)胞可以長時間與周圍的心臟組織一起跳動。移植到動物心臟中的未成熟心肌細(xì)胞往往會隨著自己的鼓聲跳動，這種電失火會導(dǎo)致危險的不規(guī)則心跳。

這就是為什么干細(xì)胞來源的心肌細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞共培養(yǎng)可以產(chǎn)生功能更成熟的心肌細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)如此重要。

在他們的新論文中，該團(tuán)隊(duì)還描述了使用一種新的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的分析來解釋組織嵌入納米電子設(shè)備捕獲的電活動，從而能夠連續(xù)監(jiān)測由成熟的感興趣的心肌細(xì)胞產(chǎn)生的電波，并能夠更好地了解組織微環(huán)境如何影響電穩(wěn)定性。

劉說，納米電子設(shè)備和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的分析代表了監(jiān)測和管理干細(xì)胞衍生組織植入物的新平臺技術(shù) - 使科學(xué)家能夠培養(yǎng)由活組織和電子設(shè)備制成的半機(jī)械人，這些半機(jī)械人可以高度特異性地控制。

在心臟組織中，他設(shè)想有一天這些半機(jī)械人甚至可以用于復(fù)雜的實(shí)時反饋系統(tǒng)，以檢測心肌細(xì)胞中的異常電活動，并提供高度有針對性的電壓，就像納米級起搏器一樣，幫助糾正植入的細(xì)胞并確保它們繼續(xù)與心臟的其他部分有節(jié)奏地跳動。

“如果我們同時擁有納米電子傳感器和刺激器，我們可以監(jiān)測電活動并使用反饋將植入的組織調(diào)整到與周圍組織相同的頻率，”劉說。“這種方法可以適用于許多其他類型的干細(xì)胞衍生組織，如神經(jīng)元組織和胰腺類器官。

他還說，這種納米電子平臺方法可用于藥物篩選，提供單細(xì)胞水平的連續(xù)分析，分析組織對不同化合物和療法的反應(yīng)。

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