動(dòng)物模型研究表明，干細(xì)胞來(lái)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(zhǎng)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(cè)心肌細(xì)胞(負(fù)責(zé)通過(guò)同步電信號(hào)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(wú)縫集成以創(chuàng)建“半機(jī)械人” - 在科學(xué)進(jìn)展論文中報(bào)道。

“這些網(wǎng)狀納米電子學(xué)，旨在隨著生長(zhǎng)的組織而拉伸和移動(dòng)，可以連續(xù)捕獲感興趣的單個(gè)干細(xì)胞衍生心肌細(xì)胞中的長(zhǎng)期活動(dòng)，”該論文的共同資深作者Jia Liu說(shuō)，他是SEAS生物工程助理教授，他領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)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(kāi)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(huì)干擾正常的細(xì)胞生長(zhǎng)或功能。

“大自然向我們展示了3D監(jiān)測(cè)組織的解決方案，”劉說(shuō)。“我們的靈感來(lái)自神經(jīng)管在發(fā)育過(guò)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(gè)半機(jī)械人類器官，以測(cè)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(huì)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(lái)監(jiān)測(cè)干細(xì)胞衍生的心肌細(xì)胞的電活動(dòng)。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(zhǎng)并發(fā)育成一個(gè)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(shí)，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(lái)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(shí)，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(cè)發(fā)育中的類器官的七周過(guò)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(jiàn)的電特性。

這一新見(jiàn)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(dòng)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(jì)和移植干細(xì)胞來(lái)源的心肌細(xì)胞，這些心肌細(xì)胞可以長(zhǎng)時(shí)間與周圍的心臟組織一起跳動(dòng)。移植到動(dòng)物心臟中的未成熟心肌細(xì)胞往往會(huì)隨著自己的鼓聲跳動(dòng)，這種電失火會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的不規(guī)則心跳。

這就是為什么干細(xì)胞來(lái)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(lái)解釋組織嵌入納米電子設(shè)備捕獲的電活動(dòng)，從而能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)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(shuō)，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(cè)和管理干細(xì)胞衍生組織植入物的新平臺(tái)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(shí)反饋系統(tǒng)，以檢測(cè)心肌細(xì)胞中的異常電活動(dòng)，并提供高度有針對(duì)性的電壓，就像納米級(jí)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(dòng)。

“如果我們同時(shí)擁有納米電子傳感器和刺激器，我們可以監(jiān)測(cè)電活動(dòng)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(shuō)。“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(shuō)，這種納米電子平臺(tái)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(duì)不同化合物和療法的反應(yīng)。