芯片心脏病发作已开发

南加州大学阿尔弗雷德·e·曼恩生物医学工程系的研究人员开发了一种“芯片上的心脏病发作”，这种设备有一天可以作为开发新的心脏病药物甚至个性化药物的试验台。

“我们的设备在一个相对简单和易于使用的系统中复制了心脏病发作的一些关键特征，”生物医学工程、干细胞生物学和再生医学副教授梅根·麦凯恩说，她与博士后研究员梅根·雷修斯-霍尔一起开发了该设备。

“这使我们能够更清楚地了解心脏病发作后心脏的变化。在此基础上，我们和其他人可以开发和测试最有效地限制心脏病发作后心脏组织进一步退化的药物。”

麦凯恩是一名“心脏组织工程师”，他之前的工作包括在芯片上共同开发心脏，他和雷休斯-霍尔在最近发表的一篇文章中详细介绍了他们的发现科学的进步题为“心肌梗死边界- zone -A芯片显示氧气梯度对心肌组织功能的独特调节”。

美国头号杀手

冠心病是美国的头号杀手。根据美国心脏协会的数据，2018年，360900名美国人死于心脏病，使心脏病占美国所有死亡人数的12.6%。严重的冠心病会导致心脏病发作，这是造成疼痛和痛苦的主要原因。当冠状动脉中的脂肪、胆固醇和其他物质严重减少流向心脏部分的富氧血液时，就会发生心脏病。在2005年至2014年期间，平均每年有80.5万美国人心脏病发作。

即使一个病人在心脏病发作后幸存下来，随着时间的推移，他们也会变得越来越疲劳、虚弱和生病;有些人甚至死于心力衰竭。这是因为心脏细胞不能像其他肌肉细胞那样再生。相反，免疫细胞出现在受伤部位，其中一些可能是有害的。此外，瘢痕的形成削弱了心脏和它能泵出的血量。

然而，科学家们并不完全了解这一过程，尤其是心脏健康部位和受损部位的心脏细胞如何相互交流，以及它们在心脏病发作后如何以及为什么会发生变化。

麦凯恩和雷修斯-霍尔相信他们在芯片上的心脏病发作可以为这些谜团提供一些线索。

Rexius-Hall说:“从根本上说，我们希望有一个模型，可以更好地了解心脏病发作造成的损伤。”

心脏病在芯片上发作

芯片上的心脏病发作实际上是从头开始构建的。在底部是一个22毫米乘22毫米见方的微流体装置，略大于四分之一——由一种称为PDMS的橡胶状聚合物制成——在相反的两侧有两个通道，气体通过。在它上面是一层非常薄的相同橡胶材料，它可以渗透氧气。然后在芯片的顶部形成一层微蛋白质，“这样心脏细胞就会排列并形成与我们心脏相同的结构，”麦凯恩说。最后，啮齿动物的心脏细胞在蛋白质上生长。

为了模拟心脏病发作，含氧气体和无氧气体通过微流控设备的每个通道释放，“将芯片上的心脏暴露在氧气梯度中，类似于心脏病发作时的真实情况，”麦凯恩说。

麦凯恩补充说，由于微流体装置体积小、清晰，在显微镜下很容易看到，它还允许研究人员实时观察心脏病发作后心脏有时会发生的功能变化，包括心律失常或心律不齐，以及收缩功能障碍，或心脏收缩强度下降。在未来，研究人员可以通过添加免疫细胞或成纤维细胞来使模型更加复杂，这些细胞在心脏病发作后会产生疤痕。

相比之下，研究人员无法用动物模型实时观察心脏组织的变化。此外，传统的细胞培养模型均匀地将心脏细胞暴露在高、中或低水平的氧气中，但没有梯度。Rexius-Hall说，这意味着他们无法模拟心脏病发作后所谓的边界区受损心脏细胞的真实情况。

麦凯恩补充说:“想象我们的设备在不久的将来对患者的生活产生积极影响，特别是对非常普遍的心脏病发作，这是非常令人兴奋和有益的。”

参考:Rexius-Hall ML, Khalil NN, Escopete SS，等。心肌梗死边界-zone芯片显示出氧气梯度对心肌组织功能的明显调节。Sci副词．2022; 8 (49): eabn7097。doi:10.1126 / sciadv.abn7097

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