近日，《中国科学报》刊登文章《为监控“敌人”，他们做了一个芯片上的“心脏”》，报道了东南大学公共卫生学院教授梁戈玉和生物科学与医学工程学院研究员陈早早团队整合心脏类器官和器官芯片技术的优势，构建了心脏类器官芯片（COoC），为体外心脏毒性评估提供了一种有潜力的新模型。相关成果在线发表在《美国化学会-纳米》（ACS Nano）。
开发更仿真稳定的模型
作为人体血液循环的动力之源，心脏健康对于人体健康的重要性不言而喻。然而，自然界中却存在着很多威胁心脏健康的物质。据世界卫生组织最新统计数据，每年因心血管疾病死亡的人数约占全球死亡总人数的1/3。微纳米塑料（MNPs）便是这些心脏的“敌人”中的一员。
研究发现，MNPs主要由塑料制品在紫外线照射、物理磨损和生物降解等情况下逐渐分解而成，在生态环境中广泛存在，已经成为全球新型污染物。这些微小粒子由于体积小、质量轻，非常容易经消化道和呼吸道进入人体，并且穿透血管屏障，跟随血液流至全身各脏器，具有巨大的健康隐患。
目前，人体血液和多脏器中均被证实可以检测到MNPs的存在，先前的研究也初步证明MNPs具有潜在的心脏毒性。
“因此，如何精准、实时地对MNPs进入心脏并引起心脏毒性的全过程进行可视化追踪，成为人们保护心脏、抵御‘外敌’的关键。”梁戈玉说。
梁戈玉介绍，目前研究人员开展心脏毒理、药理学研究仍广泛采用传统的评估模型，主要包括动物模型和体外细胞模型。这两类模型有其自身优势，比如经济、便捷等，但随着研究深入，两者的缺陷也逐渐暴露。
对于动物模型来说，尽管以小鼠为代表的实验动物和人在基因组上具有一定相似性，但仍不可避免地存在一些关键基因表达、器官功能结构的差异，容易导致从动物获取的实验结论外推至人体时失败。
对于体外细胞模型来说，由于在真实情况下，人体器官由多种细胞类型组成，不同细胞之间存在一定的“交流”机制，面对外来毒物等的侵袭时，它们往往能相互协作、共同御敌，但培养的单层细胞模型不能高仿真地模拟人体内复杂的生理情况。
“因此，开发一种更仿真、更稳定的模型模拟人体心脏的结构和功能，对于体外心脏疾病研究至关重要。” 团队成员、论文第一作者张天翊说，心脏类器官和器官芯片技术的诞生，为解决现存问题提供了新契机。
芯片上的“迷你心脏”
心脏类器官是指通过对有分化潜能的人体多能干细胞进行精细调控分化，“指挥”其变成一颗颗“迷你心脏”。
“这样的‘心脏’在基因组上更接近人体心脏，有效解决了种属差异的问题。” 梁戈玉介绍说。不仅如此，这种“迷你心脏”还具备类似人体真实心脏的多种细胞类型，可以模拟真实人体心脏的搏动情况。其在体外的持续跳动肉眼可见。
为了进一步模拟人体心脏中的流体力学，梁戈玉、陈早早团队基于前沿医工交叉技术，构建了心脏类器官芯片。
“简单地说，心脏类器官芯片就是通过器官芯片，为‘迷你心脏’搭建了一间‘小房子’。”陈早早告诉记者，这个巴掌大的“小房子”提供类似人体心脏的力学信号，从而更仿真地模拟人体内环境。
通过对心脏类器官芯片进行测试发现，该芯片可以快速对心脏药物的刺激产生响应，并具有心脏跳动加快、减慢、心律失常，以及分泌心肌损伤标志物等类似临床上的情况。
体外实时、可视化追踪“敌人”
截至目前，关于MNPs对心脏损伤效应的研究尚处于初步阶段，对于MNPs暴露引起的心脏早期伤害的关键事件、晚期结局的特征，以及在心脏病理状态下对于MNPs的易感性等问题均有待探索。
为了更全面地了解这个隐藏在心脏内的“敌人”，团队成员利用构建的心脏类器官芯片，在体外实时、可视化地对MNPs进入心脏并发挥毒性的全过程进行了长期追踪。
研究中，科研人员选取了短期和长期两个暴露时间点，对纳米塑料诱导的心脏损伤进行动态观察。相关研究揭示了纳米塑料能够以时间-依赖性和剂量-依赖性的方式，诱导心脏结构和功能受损。
“所谓时间-依赖性、剂量-依赖性是指随着纳米塑料暴露时间、剂量的增加，心脏受损程度也进行性增加。”张天翊告诉《中国科学报》，转录组测序分析显示，氧化应激、炎症应答、钙离子稳态失衡、线粒体损伤在MNPs诱导心脏损伤的早期发挥了关键作用，而心脏纤维化是心脏伤害晚期的突出特征。
此外，为了探究纳米塑料对有心脏基础疾病人群的影响，科研人员还诱导了“心肌梗死”的病理模型，发现心脏在病理状态下，对低剂量纳米塑料暴露的易感性大大增加。
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来源 | 中国科学报