心血管疾病每年導(dǎo)致的死亡人數(shù)約占全球死亡人數(shù)的40%。這種情況表明，由于研究方法和檢測(cè)技術(shù)的復(fù)雜性，迫切需要針對(duì)心血管疾病發(fā)病機(jī)理研究并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的藥物。體外心肌細(xì)胞模型通常用于心臟藥物篩選和疾病建模，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)機(jī)電反饋對(duì)微生理環(huán)境變化做出反應(yīng)。微流控平臺(tái)能夠精確控制流體，并與分析和檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合。因此，各種微流控平臺(tái)（例如心臟器官芯片）已被應(yīng)用于心肌細(xì)胞生理環(huán)境的重建以及細(xì)胞信號(hào)的檢測(cè)。這些平臺(tái)在體外模擬心血管結(jié)構(gòu)和功能以及監(jiān)測(cè)機(jī)電信號(hào)方面展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢(shì)。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，齊魯工業(yè)大學(xué)和多倫多大學(xué)的研究人員聯(lián)合在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了題為“Microfluidic platforms for monitoring cardiomyocyte electromechanical activity”的綜述文章。文章綜述了用于監(jiān)測(cè)微流控平臺(tái)內(nèi)心肌細(xì)胞收縮性和電生理信號(hào)的方法和技術(shù)。然后，介紹了微流控平臺(tái)在常見(jiàn)心臟藥物篩選和心血管疾病建模中的應(yīng)用，以及加強(qiáng)生理研究的設(shè)計(jì)策略。最后，討論了微流控平臺(tái)在組織工程和傳感技術(shù)方面的前景。
用于心肌細(xì)胞生理研究的微流控平臺(tái)示意圖
收縮性測(cè)量技術(shù)
在收縮性測(cè)量方面，研究人員首先總結(jié)了幾種常見(jiàn)的檢測(cè)收縮力的非微流控方法，重點(diǎn)介紹了發(fā)展過(guò)程中的最新趨勢(shì)和代表性成果。對(duì)于微流控平臺(tái)上的收縮性測(cè)量，主要介紹了光學(xué)方法。它們能夠結(jié)合視頻和圖像分析來(lái)監(jiān)測(cè)不同尺寸和形態(tài)的心肌細(xì)胞群的收縮性。主要使用三種方法：通過(guò)對(duì)單個(gè)心肌細(xì)胞內(nèi)的鈣離子水平進(jìn)行熒光測(cè)量來(lái)確認(rèn)收縮情況；利用接種有2D心臟組織的結(jié)構(gòu)彩色水凝膠薄膜反射峰的位移來(lái)監(jiān)測(cè)跳動(dòng)情況；對(duì)硅柱上負(fù)載的3D心臟組織進(jìn)行圖像分析，以量化收縮力。
用于測(cè)量心肌細(xì)胞收縮性的非微流控和微流控平臺(tái)
監(jiān)測(cè)電生理信號(hào)
對(duì)于電生理信號(hào)檢測(cè)，一種常見(jiàn)的方法是將微流控與微電極陣列（MEA）集成，例如在定制微流控芯片上設(shè)計(jì)凹槽圖案層以集成商用微電極陣列系統(tǒng)。無(wú)論是對(duì)單個(gè)心肌細(xì)胞場(chǎng)電位的記錄，還是在多孔板中進(jìn)行高通量的場(chǎng)電位測(cè)量，都能夠?qū)崿F(xiàn)。電刺激已被廣泛集成到電生理裝置中，并在微流控領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用。電刺激的集成有利于促進(jìn)細(xì)胞成熟，是檢測(cè)心肌細(xì)胞電活動(dòng)的有效方法。
用于監(jiān)測(cè)電生理信號(hào)的微流控平臺(tái)
機(jī)電測(cè)量在心肌細(xì)胞微流控平臺(tái)中的應(yīng)用
微流控平臺(tái)在心肌細(xì)胞生理信號(hào)檢測(cè)方面的重要應(yīng)用在于藥物篩選和疾病建模。微流控平臺(tái)能夠篩選藥物，并具有復(fù)制體內(nèi)微環(huán)境和處理少量液體的能力。結(jié)合機(jī)電分析技術(shù)，它們可以檢測(cè)心肌細(xì)胞對(duì)不同藥物刺激產(chǎn)生的信號(hào)。該方法允許評(píng)估微流控平臺(tái)在藥物篩選應(yīng)用中的可行性，旨在未來(lái)擴(kuò)展到其它的心臟藥物。這方面的一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景是同時(shí)測(cè)量不同濃度的多種藥物。挑戰(zhàn)在于實(shí)現(xiàn)多種濃度的多種藥物測(cè)試的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，以滿足高通量的需求。
在疾病建模方面，微流控芯片已成功地促進(jìn)了各種類(lèi)型的心血管疾病的建模。遺傳性心血管疾病模型通常使用誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（iPSC）工程組織和患者來(lái)源的細(xì)胞來(lái)構(gòu)建。對(duì)于非遺傳性心血管疾病，微流控平臺(tái)可以模擬微血管的結(jié)構(gòu)和功能，以模擬特定的疾病。這些信息強(qiáng)調(diào)了微流控平臺(tái)在模擬體內(nèi)微環(huán)境方面的強(qiáng)大潛力，為進(jìn)一步探索生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)病機(jī)制和治療方法提供了一條有前景的途徑。
用于藥物篩選和疾病建模的微流控技術(shù)
設(shè)計(jì)策略
微流控的設(shè)計(jì)策略加強(qiáng)了對(duì)心肌細(xì)胞的生理研究。細(xì)胞的純度直接影響隨后的收縮性或電生理信號(hào)的測(cè)量，無(wú)論它們是來(lái)自iPSC還是直接從生物體獲得。微流控平臺(tái)可以根據(jù)心肌細(xì)胞的物理結(jié)構(gòu)或電生理分類(lèi)來(lái)富集心肌細(xì)胞，以從細(xì)胞混合物中純化這些細(xì)胞。已經(jīng)提出了多種策略來(lái)促進(jìn)成熟和解決不成熟人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生的心肌細(xì)胞（hiPSC-CMs）的問(wèn)題。動(dòng)態(tài)負(fù)載的應(yīng)用可以帶來(lái)更好的心臟組織分化，以及電氣和機(jī)械耦合。機(jī)械刺激和代謝信號(hào)的結(jié)合促進(jìn)了hiPSC-CMs的成熟度和功能性的提高，增強(qiáng)了藥物篩選結(jié)果的臨床相關(guān)性。
用于監(jiān)測(cè)心肌細(xì)胞生理信號(hào)的微流控平臺(tái)設(shè)計(jì)策略
未來(lái)，微流控技術(shù)將通過(guò)復(fù)制和控制細(xì)胞微環(huán)境中的條件，進(jìn)一步推動(dòng)組織工程領(lǐng)域的發(fā)展，影響新興的器官芯片技術(shù)。多個(gè)器官芯片可以通過(guò)微流控相互連接，模擬它們?cè)隗w內(nèi)的交流和相互作用，并提供分析器官間相互作用的能力。集成各種傳感器和多個(gè)器官之間相互作用的微流控平臺(tái)可以提高藥物篩選的性能，為未來(lái)器官芯片平臺(tái)的發(fā)展鋪平道路。人類(lèi)神經(jīng)元和心肌細(xì)胞的共培養(yǎng)模擬了它們?cè)隗w內(nèi)軸突介導(dǎo)的相互作用。值得注意的是，微流控平臺(tái)可用于培養(yǎng)和檢測(cè)各種細(xì)胞類(lèi)型的生理信號(hào)。
數(shù)字化和智能化是微流控平臺(tái)的顯著發(fā)展趨勢(shì)。數(shù)字微流控（DMF）是一種基于微電極陣列的新興液體處理技術(shù)，用于精確操縱離散液滴。數(shù)字微流控具有自動(dòng)化、可尋址、集成和動(dòng)態(tài)配置的優(yōu)點(diǎn)，并提供了從皮升到微升的封閉反應(yīng)空間。這些特性使其適用于芯片的實(shí)驗(yàn)室生物分析和需要高集成度和復(fù)雜工藝的應(yīng)用。另一個(gè)潛在的發(fā)展趨勢(shì)是微流控與生物混合機(jī)器人的集成。微流控技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)徹底改變了疾病建模和藥物開(kāi)發(fā)，并有望影響再生醫(yī)學(xué)，但尚未應(yīng)用于生物人工復(fù)合組件。將微流控與活體材料融合將改善組織灌注和成熟，并實(shí)現(xiàn)傳感、處理和控制元件的精確圖案化。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41378-024-00751-z
延伸閱讀：
《即時(shí)診斷應(yīng)用的生物傳感器技術(shù)及市場(chǎng)-2022版》
