在美國(guó)，有人每40秒就有一次心臟病發(fā)作，但研究人員還沒(méi)有一個(gè)模型能夠完全模仿心臟病發(fā)作后的情況。
南卡羅來(lái)納醫(yī)科大學(xué)(MUSC)和克萊姆森大學(xué)的一個(gè)研究小組最近在《自然生物醫(yī)學(xué)工程》的一篇文章中報(bào)告說(shuō)，他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了直徑小于1毫米的人類(lèi)心臟樣器官，這些器官與心臟的生理狀況非常相似。
該團(tuán)隊(duì)由生物工程學(xué)家梅穎博士領(lǐng)導(dǎo)，他是MUSC和克萊姆森大學(xué)的聯(lián)合教員。他是MUSC克萊姆森生物工程項(xiàng)目的一員，該項(xiàng)目將克萊姆森生物工程工程師和生物工程博士生安排在MUSC校區(qū)，以便他們能夠與需要工程解決方案的臨床醫(yī)生互動(dòng)。本文的主要作者迪倫理查茲博士是該聯(lián)合項(xiàng)目的畢業(yè)生。
理查茲說(shuō)：“我們可以基本掌握心臟病發(fā)作的3D復(fù)雜性，然后將其簡(jiǎn)化為微觀模型?！?
枝孢菌是一種直徑小于1毫米的三維多細(xì)胞組織，這些器官或微組織的功能與其相應(yīng)器官的功能相似。在這種情況下，類(lèi)心臟器官實(shí)際上像人類(lèi)心臟一樣跳動(dòng)和收縮。這種模式利用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，幾乎像“母細(xì)胞”一樣，分裂成熟為幾種類(lèi)型的心臟細(xì)胞，這些細(xì)胞相互作用并自我組裝形成器官樣細(xì)胞。
傳統(tǒng)上，生物學(xué)家使用平板或動(dòng)物模型(如小鼠或大鼠)中的細(xì)胞來(lái)模擬正在研究的疾病。這些方法都有各自的缺點(diǎn)，所以類(lèi)器官模型是可以克服的。
培養(yǎng)皿中的細(xì)胞非常適合在細(xì)胞層面學(xué)習(xí)東西，但是細(xì)胞在平面上的二維生長(zhǎng)非常不自然。
動(dòng)物模型對(duì)于總結(jié)下一步人體內(nèi)發(fā)生的事情非常有用，但是類(lèi)器官，尤其是類(lèi)心臟器官，最接近于再現(xiàn)人體內(nèi)發(fā)生的事情。
理查茲解釋說(shuō)：“老鼠的心跳比人類(lèi)快五到十倍。”由于尺度的關(guān)系，這些機(jī)制在物理上是如何工作的——電生理和泵送——只是不同而已。
相比之下，心臟器官可以復(fù)制人的心臟，與心臟病發(fā)作導(dǎo)致缺氧后的組織功能障礙非常相似。因?yàn)樾呐K病發(fā)作后很難立即獲得樣本，我們對(duì)心臟病的大部分知識(shí)來(lái)自于最初缺氧后很久的觀察結(jié)果。類(lèi)器官模型填補(bǔ)了這一空白，因此在缺氧后可以立即看到。
器官模型的理查茲說(shuō)：“這可以幫助我們更好地理解細(xì)胞在短期內(nèi)的反應(yīng)，這反過(guò)來(lái)又會(huì)對(duì)長(zhǎng)期損傷產(chǎn)生影響?！?
該模型還使研究人員能夠測(cè)試心臟藥物是否能改善心臟病發(fā)作的結(jié)果。
理查茲解釋說(shuō)：“它可以幫助我們確定一種藥物是否能有效防止這種損傷或防止對(duì)缺氧的有害反應(yīng)。”
該模型還可以提供一種方法來(lái)測(cè)試在健康心臟中安全的藥物在患病心臟中是否也安全。這些信息可以指導(dǎo)醫(yī)生在心臟病發(fā)作時(shí)為心臟病患者開(kāi)出更合適的藥物。
簡(jiǎn)而言之，該模型為研究人員提供了他們從未有過(guò)的心臟病發(fā)作早期事件的理解。但是梅打算通過(guò)加入免疫細(xì)胞來(lái)改善這個(gè)模型。免疫細(xì)胞負(fù)責(zé)清除心臟病發(fā)作引起的任何死亡細(xì)胞，但通過(guò)這樣做，它們可以確定免疫細(xì)胞如何在缺氧損傷后的心臟組織重組中發(fā)揮作用。梅實(shí)驗(yàn)室想研究他們?nèi)绾巫龅竭@一點(diǎn)，以防止心臟受損但仍有生命的區(qū)域死亡。
梅還想研究患者基因?qū)ζ浣Y(jié)果的影響。他的實(shí)驗(yàn)室目前正在用不同結(jié)果的患者細(xì)胞制造類(lèi)似器官的身體。這些器官可以幫助我們更全面地了解患者的特定遺傳特征如何影響他或她的康復(fù)。
“我們不是第一個(gè)概括細(xì)胞水平甚至組織水平反應(yīng)的人。但是，我認(rèn)為，我們是第一個(gè)概括器官水平反應(yīng)的人，”梅說(shuō)。
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