科学家研究出半机械人监测干细胞衍生的心脏组织的功能成熟程度

近日，据哈佛大学约翰·A·保罗森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员称，现在首次有可能使用组织嵌入式纳米电子器件在单个细胞水平上监测心肌细胞的功能发育和成熟，这些细胞通过同步的电信号调节心跳。

根据他们在《科学进展》杂志上发表的文章《组织嵌入式可伸缩纳米电子学揭示人类三维心脏微组织内皮细胞介导的电性成熟》（Tissue-embedded stretchable nanoelectronics reveal endothelial cell–mediated electrical maturation of human 3D cardiac microtissues），这些柔性和可伸缩的器件可以与活体细胞集成，创造“半机械人”。

“将干细胞疗法转化为心脏疾病的临床治疗需要移植心肌细胞的电学整合。电学成熟的人工诱导多能干细胞衍生的心肌细胞（hiPSC-CMs）的产生对于电学整合至关重要。在这里，我们发现hiPSC衍生的内皮细胞（hiPSC-ECs）促进了hiPSC-CMs中选定的成熟标记的表达，”调查人员写道。

“利用组织嵌入式可伸缩网格纳米电子学，我们实现了人类三维心脏微组织电活动的长期稳定图谱。结果显示hiPSC-ECs加速了3D心脏微组织中hiPSC-CMs的电学成熟。基于机器学习的伪时间轨迹推断表明心肌细胞电信号在发育过程中进化了电性表型转移路径。

单细胞RNA测序

“在电学记录数据的指导下，单细胞RNA测序鉴定了hiPSC-ECs促进了表现出更成熟表型的心肌细胞亚群，hiPSC-ECs和hiPSC-CMs之间的多重配体-受体相互作用上调，揭示了hiPSC-CM电学成熟的协调多因素机制。

“总的来说，这些发现表明hiPSC-ECs通过多种细胞间途径促进hiPSC-CM的电成熟。

“这些类似网状的纳米电子器件被设计为可以伸展和移动，以连续捕捉单个干细胞衍生的感兴趣心肌细胞的长期活动，”是该论文的合作高级作者之一、哈佛大学工程与应用科学学院的生物工程助理教授Jia Liu博士表示，他在该学院领导一个致力于生物电子学的实验室。

Liu的团队专门研究工程纳米电子学以弥合生物组织和电子学之间的差距，他们开发了几种类似网状的、微创性的柔性纳米电子传感器，旨在与自然组织嵌入，而不会干扰正常的细胞生长或功能。

“自然向我们展示了3D组织监测的解决方案，”Liu说，“我们受到了神经管在发育过程中折叠、随着细胞迁移并形成组织体积的启发。”

四年前创建的第一个人机器器官

他的团队于2019年创建了他们的第一个人机器器官，以测试使用类似网状的纳米电子结构的想法，并已经证明这些类型的柔性纳米电子器件可以安全地植入生活的小鼠中，而不会干扰附近细胞的功能。

在他们最新的研究中，Liu的实验室与哈佛干细胞研究所的Richard Lee和他的团队合作，使用纳米电子器件监测干细胞衍生的心肌细胞的电活动。为此，研究人员将细胞培养到商业上可用的细胞基质“Matrigel”的一张薄片上，并将类似网状的纳米电子传感器（其中包含柔性的微电极网格）放置其中。

纳米电子传感器(黄色、蓝色)嵌入了天然组织(红色、绿色)。 [Liu Lab, Harvard SEAS]

随着细胞的生长和发展成为一个小型的器官样结构，研究人员观察到该薄片可以轻松地伸展和容纳干细胞来源的组织，因为它们在三维中增殖和扩展。使用这些技术进行离体实验，团队发现内皮细胞在干细胞来源的心肌细胞快速和功能性成熟中发挥了一个先前被低估但至关重要的作用。根据刘博士的说法，当它们在3D心脏组织基质中一起培养时，心肌细胞在内皮细胞的存在下经历了“非凡的电学成熟”。

在七周的器官样体发育监测过程中，研究团队观察到，与内皮细胞的接近直接影响了心肌细胞的成熟。与内皮细胞相邻的心肌细胞比距离内皮细胞更远的心肌细胞成熟得更快，并且它们还表现出健康心脏组织通常具有的电学特性。

科学家们表示，这一新的发现对于工程干细胞来源的心脏组织来说是一个飞跃。在具有类人心脏的动物中进行的实验性临床前研究已经证明，工程化和移植干细胞来源的心肌细胞以便能够与周围的心脏组织同步跳动并持续很长时间是很困难的。移植到动物心脏中的不成熟心肌细胞往往会自行跳动，这种电学误差可能会导致危险的不规则心跳。这就是与内皮细胞共培养干细胞来源的心肌细胞可以创造更加功能成熟的心肌细胞的发现之所以如此重要的原因，Jia Liu博士指出。

编辑：王洪

排版：李丽