创建新的心脏组织模型

没有安全的方式得到一个特写镜头的人类心脏的工作:你不能只是流行,看一看,然后回到槽。科学家们尝试不同的方法解决这个根本问题:他们把尸体的心再次机器让他们泵,连接实验室培养的心脏组织泉看他们扩张和收缩。每种方法都有其缺点:弱者的心只能打几个小时;弹簧不能复制真实肌肉的力量在起作用。但要更好地理解这迫在眉睫的重要器官:在美国,有人死于心脏病每36秒,根据疾病控制和预防中心。

现在,一个跨学科的团队的工程师、生物学家和遗传学家已经开发了一种新的学习方式:他们已经建立了一个小型的复制品的心脏室;该地区和人类心脏组织的结合。没有弹簧或外部权力来源真实,只是胜本身,由现场心脏组织从干细胞。设备可以让研究人员更准确的器官是如何工作的,让他们跟踪心脏生长在胚胎,研究疾病的影响,和测试的潜在有效性和副作用新treatments-all零风险患者和不离开实验室。

背后的团队由波士顿大学gadget-nicknamed微型泵,正式称为心脏小型化Precision-enabled单向微流体Pump-says技术还可以为构建实验室版本的其他器官,肺肾。他们的发现已发表在科学的进步。

“我们可以研究疾病进展的方式,这在以前是没有的,”说爱丽丝,但工程学院机械工程的教授和主席。“我们选择工作在心脏组织,因为它特别复杂的力学,但我们发现,当你把纳米技术和结婚组织工程,有可能复制多个器官。”

据研究人员介绍,设备最终可能加快药物开发过程中,使其更快、更便宜。而不是支出并可能decades-moving药用药通过发展管道只看到它落在最后的障碍在人的测试中,研究人员可以使用的微型泵开始更好地预测成功或失败。

项目的一部分CELL-MET(多机构研究国家科学基金会在细胞工程研究中心由BU的超材料。该中心的目标是人类心脏组织再生病变,构建一个社区的科学家和业内专家测试新药和创建人工植入补丁心脏病或心脏受损的疾病。

“心脏病死亡的第一原因在美国,触摸我们所有人,”怀特说,他是首席科学家阿尔卡特-朗讯贝尔实验室在2013年加入BU之前。“今天,没有治愈心脏病发作。CELL-MET的愿景是改变这个。”

个性化医疗

有很多可能出错,你的心。射击的时候正确地在所有四个汽缸,心脏的两上两下室保持你的血液流动,这样富氧血液循环和身体提要。但当疾病来袭时,携带血液远离你心脏的动脉狭窄或阻塞,阀门泄漏或故障,心脏肌肉可以薄或加厚,或者电信号可以短,导致许多或者过于节拍。不,心脏病会导致discomfort-like呼吸困难,疲劳,肿胀,和胸部痛苦,对许多人来说,死亡。

“心脏经历复杂的部队输送血液在我们的身体,”说克里斯托弗·陈,但生物医学工程的威廉·f·沃伦特聘教授。”,虽然我们知道恶化心肌变化异常反应部队的例子中,由于高血压或瓣膜疾病也很难模仿和研究这些疾病的过程。这就是为什么我们想要构建一个小型心脏室。”

在3平方厘米,微型泵并不比一张邮票。建成像人类心脏心室缩小或肌肉低chamber-its定制的组件都安装在一块薄的3 d打印的塑料。有微型丙烯酸阀门,打开和关闭来控制水的流动,在这种情况下,而不是跟血小管,将液体就像动脉和静脉。打在一个角落里,心脏肌肉细胞,使组织收缩,心肌细胞,使用干细胞技术。

“他们使用诱导多能干细胞生成,“说克里斯托·米(21),博士后研究员设计和领导发展的微型泵作为博士论文的一部分。

心肌细胞,研究人员把细胞从一个成年人的皮肤细胞,血细胞,或任何其他cell-reprogram成胚胎干细胞,然后转换成心脏细胞。除了给设备文字的心,米迦说,心肌细胞也给系统在帮助先锋个性化药物的巨大潜力。研究人员可以将病变组织的设备,例如,然后测试药物在组织和观察其泵送能力是如何影响。

“有了这个系统,如果我把细胞从你,我可以看到这种药物将如何反应你,因为这些都是你的细胞,”迈克说。“这个系统复制好心脏的功能,但与此同时,让我们人类有不同的灵活性,它复制。这是一个预测模型,看看会发生什么在humans-without实际上进入人类。”

根据西,这可能让科学家评估一种新的心脏病药物的成功的机会之前进入临床试验。失败,因为许多药物的副作用。

“在刚开始的时候,当我们仍然玩的细胞,我们可以介绍这些设备和更准确的预测在临床试验中会发生什么,”迈克说。“这也意味着药物可能有更少的副作用。”

比人的头发细

微型泵的关键部件之一,是一种丙烯酸脚手架,支持,和移动,心脏组织的合同。一系列的超细同心spirals-thinner比人类hair-connected水平环,脚手架看起来像一个艺术家活塞。这是一种必不可少的难题,给心脏结构——它是一种无形的blob没有它,但是没有施加作用力。

“我们不认为以前的方法研究心脏组织捕获的肌肉会回应你的身体,”陈先生说,他也是主任波士顿大学生物设计中心和助理教员在哈佛大学生物工程研究所。“这使我们第一次有机会构建机械的东西是更类似于我们认为心脏是经历过它的一大步。”

打印每一个小部件,该团队使用这一过程被称为双光子直接激光三维打印的文字更精确的版本。当光传送到液体树脂,它触及到的地区转变成固体;因为光线可以针对此类accuracy-focused小许多组件的微型泵是以微米,小于一个尘埃粒子。

使泵的决定如此之小,而不是真人大小或更大,是深思熟虑的,其功能是至关重要的。

“结构元素非常好,事情通常会僵硬是灵活的,”怀特说。“通过类比,考虑光纤:一个玻璃窗口非常僵硬,但是你一个玻璃光纤缠绕你的手指。丙烯酸是非常僵硬,但是在规模参与微型泵,丙烯酸跳动的心肌细胞支架能够被压缩的。”

陈说,泵的规模显示”,在精细印刷架构,您可以创建更复杂的组织细胞的比我们想象的是可能的。“目前,当研究人员尝试创建细胞,他说,无论心脏细胞或肝细胞,它们都是混乱——“结构,你必须交叉你的手指,希望创造一些细胞。“这意味着组织脚手架开创的微型泵具有巨大的潜在影响超出了心,为其他organs-on-a-chip奠定了基础,从肾脏到肺部。

炼油技术

根据白,范围的突破是有可能的,因为专家CELL-MET的研究团队,不仅包括机械,生物医学,和材料工程师喜欢她,陈佛罗里达国际大学的阿尔温德•阿加瓦尔,也是遗传学家哈佛医学院的乔纳森·g·塞德曼和心血管医学的专家哈佛医学院的克里斯汀·e·塞德曼和布莱根妇女医院。这个宽度的经验中受益的不仅仅是项目,但健康危害。一个电气和计算机工程的学生作为一个大学生,他说他“我一生中从未见过的细胞在开始这个项目之前。“现在,他准备开始与西雅图生物技术Curi生物的一个新职位,公司结合干细胞技术,组织生物系统和人工智能药物和疗法的发展。

“克里斯托是理解生物学的人,”怀特说,“可以做细胞分化和组织操作,但也理解纳米技术,什么是必需的,以工程的方式,制造结构。”

微型泵的下一个直接目标团队?改进技术。他们还计划测试生产设备在不影响其可靠性的方法。

说:“有很多研究应用。“除了给我们人类心肌为研究疾病和病理,这项工作铺平了道路,使心脏补丁可能最终是有缺陷的人在他们当前的心中。”

其他研究人员在这个项目包括卡米尔Ekinci、BU工程学院(ENG)机械工程和材料科学与工程教授,珀斯艾克曼斯,生物医学工程的ENG研究助理教授,m . Cağatay Karakan (ENG 22), Pranjal Nautiyal,宾夕法尼亚大学的博士后研究员最近完成了他在佛罗里达国际大学的博士学位。

参考:micha C, Karakan MC, Nautiyal P,等。工程生活心脏泵使用高精度制造芯片。Sci副词。8 (16):eabm3791。doi:10.1126 / sciadv.abm3791

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