赛博格技术分析干细胞来源的心脏组织的功能成熟

动物模型研究表明，干细胞来源的心脏组织在治疗心脏病的治疗应用中具有广阔的潜力。但是，在这种疗法可行且安全地用于人类之前，科学家必须首先在细胞和分子水平上精确了解植入的干细胞衍生的心脏细胞在周围组织中的三维中正确生长和整合所需的因素。

哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的新发现首次使得使用组织嵌入的纳米电子设备在单细胞水平上监测心肌细胞(负责通过同步电信号调节心跳的细胞)的功能发育和成熟成为可能。.这些设备是灵活的，可拉伸的，可以与活细胞无缝集成以创建“半机械人” - 在科学进展论文中报道。

“这些网状纳米电子学，旨在随着生长的组织而拉伸和移动，可以连续捕获感兴趣的单个干细胞衍生心肌细胞中的长期活动，”该论文的共同资深作者Jia Liu说，他是SEAS生物工程助理教授，他领导着一个致力于生物电子学的实验室。

刘的团队专门从事纳米电子工程，以弥合活组织和电子学之间的差距，已经开发了几种网状，微创柔性纳米电子传感器，旨在嵌入天然组织而不会干扰正常的细胞生长或功能。

“大自然向我们展示了3D监测组织的解决方案，”刘说。“我们的灵感来自神经管在发育过程中折叠的方式，随着细胞迁移并形成组织体积而拉伸。

他的团队在2019年创造了他们的第一个半机械人类器官，以测试使用网状纳米电子结构的想法，并且之前已经证明这些类型的柔性纳米电子学可以安全地植入活小鼠体内，而不会破坏附近细胞的功能。

在他们最新的研究中，刘的实验室与哈佛干细胞研究所的Richard Lee及其团队合作，使用纳米电子学来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由市售细胞基质(称为“Matrigel”)和网状纳米电子传感器(包含柔性微电极网格)制成的片材上。

随着细胞生长并发育成一个小的类器官结构，研究人员观察到，当干细胞衍生组织在3D中增殖和扩张时，该片很容易拉伸并容纳干细胞衍生组织。

在体外实验中使用这些技术，研究小组发现调节血管和周围组织之间血流的血管衬里细胞(称为内皮细胞)在干细胞来源的心肌细胞的快速和功能成熟中起着以前被低估但至关重要的作用。当在3D心脏组织基质中一起培养时，心肌细胞在内皮细胞存在下经历了“非凡的电成熟”。

在监测发育中的类器官的七周过程中，研究小组观察到接近内皮细胞有直接影响。与远离内皮细胞的心肌细胞相比，培养在内皮细胞旁边的心肌细胞成熟得更快，并且它们还显示出健康心脏组织中常见的电特性。

这一新见解是工程干细胞衍生心脏组织的一次飞跃。在具有类似人类心脏的动物中进行的实验性临床前研究已经证明，很难设计和移植干细胞来源的心肌细胞，这些心肌细胞可以长时间与周围的心脏组织一起跳动。移植到动物心脏中的未成熟心肌细胞往往会随着自己的鼓声跳动，这种电失火会导致危险的不规则心跳。

这就是为什么干细胞来源的心肌细胞与内皮细胞共培养可以产生功能更成熟的心肌细胞的发现如此重要。

在他们的新论文中，该团队还描述了使用一种新的基于机器学习的分析来解释组织嵌入纳米电子设备捕获的电活动，从而能够连续监测由成熟的感兴趣的心肌细胞产生的电波，并能够更好地了解组织微环境如何影响电稳定性。

刘说，纳米电子设备和基于机器学习的分析代表了监测和管理干细胞衍生组织植入物的新平台技术 - 使科学家能够培养由活组织和电子设备制成的半机械人，这些半机械人可以高度特异性地控制。

在心脏组织中，他设想有一天这些半机械人甚至可以用于复杂的实时反馈系统，以检测心肌细胞中的异常电活动，并提供高度有针对性的电压，就像纳米级起搏器一样，帮助纠正植入的细胞并确保它们继续与心脏的其他部分有节奏地跳动。

“如果我们同时拥有纳米电子传感器和刺激器，我们可以监测电活动并使用反馈将植入的组织调整到与周围组织相同的频率，”刘说。“这种方法可以适用于许多其他类型的干细胞衍生组织，如神经元组织和胰腺类器官。

他还说，这种纳米电子平台方法可用于药物筛选，提供单细胞水平的连续分析，分析组织对不同化合物和疗法的反应。