器官晶元實例介紹：（二）Heart-on-a-chip 晶元心臟

由於在體外模擬心臟組織的收縮性和電生理反應困難重重，傳統的研究方法若用於試圖複製體內心臟組織環境極其具有挑戰性。同時，這些體內心臟組織的特徵將大大增加體外實驗的準確性。而微流控技術的出現以後，已經為心肌細胞的體外實驗做出了貢獻，這些實驗能夠在體外產生控制心率的電脈衝信號[1]。例如，研究人員已經建立了一系列布局有感測器和刺激電極的PDMS微反應腔室，能夠作為電化學和光學監測心肌細胞代謝的工具[2]。另一個微流控晶元實驗室同樣將PDMS中的微流體網路與平面微電極結合，則可以測量單個成年鼠心肌細胞的細胞電位[3]。

例子：

一個關於心臟晶元的報道設計聲稱已經構建出了「複製層狀心肌分層組織結構構造中測量結構——功能關係的有效手段」[4]。該晶元確定了構成心臟組織的收縮結構中心肌細胞的排列和有助於心肌收縮力產生的基因表達譜（受形狀和細胞結構變形影響）。該心臟晶元是生物混合結構：工程化各向異性心室心肌是彈性體薄膜。

此特定微流控裝置的設計和製造過程包括以下幾步：需要首先用膠帶（或任何保護膜）覆蓋玻璃表面的邊緣，以便輪廓基底形成的期望形狀，然後進行PNIPA（基丙烯醯胺）的旋轉塗層；待其溶解後，將保護膜剝離，則可以得到PNIPA的獨立體；最後的步驟是將PDMS的保護表面旋塗在覆蓋層上並固化。肌肉薄膜（MTF）可在PDMS的薄柔性基底上進行使心肌單層的工程化操作[5]。為了適當接種2D細胞培養物，使用微接觸印刷技術在PDMS表面上布置纖連蛋白「磚牆」圖案，一旦將心室肌細胞接種在圖案化功能化底物上，則纖連蛋白模式取向可以產生各向異性單層細胞。

圖1：晶元心臟底物和收縮性測試樣品的製備。通過電極刺激肌細胞導致收縮後，MTF中的條帶開始捲曲。隨後研究人員在收縮周期中建立了組織應力與MTF條曲率半徑之間的相關性，證明了所展示的晶元是心臟晶元。

在將薄膜切成兩排具有矩形齒狀之後，隨後將整個裝置放置在水浴中，電極通電後可刺激引起肌細胞的收縮，從而彎曲MTF中的條帶。 研究人員發現在心臟收縮周期內，組織應力與MTF條曲率半徑的具有相關性，驗證了該晶元是「應力，電生理學和細胞結構定量平台[4]。

參考文獻：

[1] Pieperhoff S, Borrmann C, Grund C, et al. The area composita of adhering junctions connecting heart muscle cells of vertebrates. VII. The different types of lateral junctions between the special cardiomyocytes of the conduction system of ovine and bovine hearts [J].

[2] Cheng W, Klauke N, Sedgwick H, et al. Metabolic monitoring of the electrically stimulated single heart cell within a microfluidic platform.[J]. Lab on A Chip, 2006, 6(11):1424-1431.

[3] I.A. Ges, F. Baudenbacher. Microfluidic device to confine single cardiac myocytes in sub-nanoliter volumes for extracellular pH measurements[J]. Journal of Experimental Nanoscience, 2008, 3(1):63-75.

[4] Grosberg A, Alford P W, Mccain M L, et al. Ensembles of engineered cardiac tissues for physiological and pharmacological study: Heart on a chip[J]. Lab on A Chip, 2011, 1(24):4165-4173.

[5] Alford P W, Feinberg A W, Sheehy S P, et al. Biohybrid Thin Films for Measuring ontractility in Engineered Cardiovascular Muscle[J]. Biomaterials, 2010, 31(13):3613-21.

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