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東南大學趙遠錦教授課題組:受毛毛蟲啟發的心臟器官芯片
2019-11-12  來源:高分子科技

  器官芯片是近年來生物學最熱門的研究方向之一,其目的在于通過在微流控芯片中進行三維細胞的培養來重現特定器官的結構和功能特征,進行新藥研發、疾病建模和生物機制的探索等。其中,心臟芯片的構建對心臟疾病機理的研究和治療都有著重要的戰略意義,是器官芯片的重要組成部分。目前的心臟芯片已經取得較大的進展,但是對于細胞微生理的傳感仍然依賴于精密儀器的分析,操作復雜且成本昂貴,限制了其潛在的臨床醫學應用。

  日前,東南大學生物科學與醫學工程學院的趙遠錦教授課題組受自然界蛇和毛毛蟲爬行機制的啟發,將生物軟體機器人集成到微流控平臺上構建了一種可視化的“心臟芯片”系統,為藥物篩選測試提供了新型的平臺。該軟體機器人以心肌細胞為生物驅動器,在粗糙基底和各向異性爪子的協助下能夠很好地模擬毛毛蟲的爬行。將所述軟體機器人集成到多軌道的微流控芯片中,它們可以對不同的刺激反映出不同的運行速度,這一特性可用來進行新藥研發甚至為相關疾病提供潛在的治療策略。

圖1

  在自然界中,蛇依靠其腹部的鱗片來提供直線爬行所需的各向異性摩擦力。受此現象啟發,課題組成員采用模板法構建了與蛇皮結構類似的爪子,同時引入平行碳管層和結構色功能層構建軟體機器人基底。利用掩模板對光的圖案化隔斷,還可以賦予該基底毛毛蟲的外形。提取小鼠心肌細胞,在碳管覆蓋的水凝膠側進行培養。研究表明,平行的碳管層不僅對心肌細胞具有良好的取向誘導作用,并且其良好的導電性為心肌細胞提供了信號傳導的平臺,增強了細胞的協同收縮作用。

圖2

  在心肌細胞的驅動下,同時借助各向異性爪子和粗糙基底提供的摩擦力,軟體機器人可以在平面或者小角度的斜面上實現較好的爬行。在爬行過程中,由于軟體機器人角度的變化,結構色也會隨之發生顏色變化,且顏色變化的程度可以直觀地反映心肌細胞的活力。將所述的軟體機器人集成到微流控通道中,它們可以根據不同的藥物刺激進行“賽跑”。當通入高濃度的鉀離子溶液模擬高鉀血癥模型時,軟體機器人的運動速度會在短時間內加快,然后喪失運動能力。而同時注入鉀離子溶液和異丙腎上腺素溶液時,軟體機器人的運動性能則可以在異丙腎上腺素的刺激下得到維持。也就是說,藥物對于細胞的影響可以通過軟體機器人的爬行速度進行評估,從而為藥物測試和疾病研究提供了直觀的平臺。

圖3

  趙遠錦教授為該論文的唯一通訊作者,東南大學2019級博士生孫靈鈺是該論文的第一作者,東南大學為該成果的第一完成單位。相關工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金NSAF聯合基金等項目的資助。

  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201907820

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(責任編輯:xu)
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