機器人監(jiān)測干細胞來源的心臟組織的功能成熟度

哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)的研究人員表示，現(xiàn)在首次可以監(jiān)測心肌細胞的功能發(fā)育和成熟，心肌細胞負責通過同步電信號調節(jié)心跳。使用組織嵌入的納米電子設備的單細胞水平。

根據他們在《科學進展》中發(fā)表的文章“組織嵌入的可拉伸納米電子學揭示了內皮細胞介導的人類3D心臟微組織的電成熟”，這種靈活且可拉伸的設備可以與活細胞集成以創(chuàng)建“機器人”。

“心臟病干細胞療法的臨床轉化需要移植心肌細胞的電整合。電成熟的人類誘導多能干細胞衍生心肌細胞(hiPSC-CM)的產生對于電整合至關重要。在這里，我們發(fā)現(xiàn)hiPSC衍生的內皮細胞(hiPSC-EC)促進hiPSC-CM中選定的成熟標記物的表達，”研究人員寫道。

“利用組織嵌入的可拉伸網狀納米電子學，我們獲得了人體三維(3D)心臟微組織電活動的長期穩(wěn)定圖。結果表明，hiPSC-EC加速了3D心臟微組織中hiPSC-CM的電成熟?；跈C器學習的心肌細胞電信號偽時間軌跡推斷進一步揭示了發(fā)育過程中的電表型轉變路徑。

單細胞RNA測序

“在電記錄數(shù)據的指導下，單細胞RNA測序發(fā)現(xiàn)hiPSC-EC促進了具有更成熟表型的心肌細胞亞群，并且hiPSC-EC和hiPSC-CM之間的多種配體-受體相互作用上調，揭示了協(xié)調的多因素hiPSC-CM電成熟機制。

“總的來說，這些發(fā)現(xiàn)表明hiPSC-EC通過多種細胞間途徑驅動hiPSC-CM電成熟。

“這些網狀納米電子器件旨在隨著生長的組織伸展和移動，可以持續(xù)捕獲感興趣的單個干細胞衍生心肌細胞內的長期活動，”該論文的共同高級作者JiaLiu博士說。SEAS生物工程助理教授，領導一個致力于生物電子學的實驗室。

劉的團隊專門研究納米電子學工程，以彌合活組織和電子學之間的差距，開發(fā)了幾種網狀微創(chuàng)柔性納米電子傳感器，設計用于嵌入自然組織，而不干擾正常細胞生長或功能。

“大自然向我們展示了3D監(jiān)測組織的解決方案，”劉說。“我們受到神經管在發(fā)育過程中折疊、隨著細胞遷移并形成組織體積而拉伸的方式的啟發(fā)。”

四年前創(chuàng)建的第一個機器人類器官

他的團隊于2019年創(chuàng)建了他們的第一個機器人類器官，以測試使用網狀納米電子結構的想法，并且之前已經證明這些類型的柔性納米電子器件可以安全地植入活體小鼠體內，而不會破壞附近細胞的功能。

在最新的研究中，劉的實驗室與哈佛干細胞研究所的理查德·李和他的團隊合作，利用納米電子學來監(jiān)測干細胞衍生的心肌細胞的電活動。為此，研究人員將細胞培養(yǎng)在由市售細胞基質(稱為“Matrigel”)和網狀納米電子傳感器(包含柔性微電極網格)制成的薄片上。

在體外實驗中使用這些技術，研究小組發(fā)現(xiàn)內皮細胞在干細胞衍生的心肌細胞的快速和功能成熟中發(fā)揮著先前被低估但至關重要的作用。Liu表示，當在內皮細胞存在的情況下，在3D心臟組織基質中一起培養(yǎng)時，心肌細胞會經歷“異常的電成熟”。

在對發(fā)育中的類器官進行七周的監(jiān)測過程中，研究小組觀察到靠近內皮細胞會產生直接影響。與遠離內皮細胞的心肌細胞相比，在內皮細胞旁邊培養(yǎng)的心肌細胞成熟得更快，并且它們還表現(xiàn)出健康心臟組織中常見的電特性。

科學家們表示，這一新見解是工程干細胞衍生心臟組織的一次飛躍。對具有類人心臟的動物進行的臨床前研究證明，很難設計和移植干細胞衍生的心肌細胞，使其能夠與周圍的心臟組織長時間協(xié)同跳動。移植到動物心臟中的未成熟心肌細胞往往會自行跳動，這種電失火可能會導致危險的心律不齊。

劉指出，這就是為什么干細胞衍生的心肌細胞與內皮細胞共培養(yǎng)可以產生功能更成熟的心肌細胞這一發(fā)現(xiàn)如此重要。

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