這個(gè)微型納米“泵”可以在關(guān)鍵時(shí)刻救我們一命
文章來(lái)源：賢集網(wǎng)發(fā)布日期：2022-04-24瀏覽次數(shù)：47 在人類(lèi)心臟工作的過(guò)程中，沒(méi)有安全的方法可以近距離觀察它：你不能把它彈出，看一眼，然后再把它插進(jìn)去。科學(xué)家們嘗試了不同的方法來(lái)解決這個(gè)基本問(wèn)題：他們將尸體心臟連接到機(jī)器上，讓它們?cè)俅伪醚?，將?shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的心臟組織連接到彈簧上，觀察它們膨脹和收縮。每種方法都有其缺陷：復(fù)活的心臟只能跳動(dòng)幾個(gè)小時(shí)；彈簧無(wú)法在真正的肌肉上復(fù)制作用力。但更好地了解這一重要器官是當(dāng)務(wù)之急：根據(jù)疾病控制和預(yù)防中心的數(shù)據(jù)，在美國(guó)，每36秒就有人死于心臟病。現(xiàn)在，一個(gè)由工程師、生物學(xué)家和遺傳學(xué)家組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種研究心臟的新方法：他們用納米工程部件和人類(lèi)心臟組織的組合構(gòu)建了一個(gè)微型心臟室復(fù)制品。沒(méi)有像真人一樣的彈簧或外部電源，它只是由干細(xì)胞生長(zhǎng)的活體心臟組織驅(qū)動(dòng)，自行跳動(dòng)。該設(shè)備可以讓研究人員更準(zhǔn)確地了解器官的工作原理，讓他們能夠追蹤心臟在胚胎中的生長(zhǎng)情況，研究疾病的影響，測(cè)試新療法的潛在有效性和副作用——所有這些對(duì)患者來(lái)說(shuō)都是的，而且不需要離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室。波士頓大學(xué)（Boston University）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了這個(gè)昵稱(chēng)為“微型泵”（Minippump）的設(shè)備，正式名稱(chēng)為“心臟微型化精密單向微流控泵”（Cardial Minified Precision enabled Undirectional Microfluidic Pump），該技術(shù)還可以為構(gòu)建從肺到腎的其他器官的實(shí)驗(yàn)室版本鋪平道路。他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)步》雜志上。波士頓大學(xué)工程學(xué)院教授、機(jī)械工程系主任愛(ài)麗絲·懷特說(shuō)：“我們可以用一種以前不可能的方式研究疾病的進(jìn)展，我們之所以選擇研究心臟組織，是因?yàn)樗牧W(xué)特別復(fù)雜，但我們表明，當(dāng)你采用納米技術(shù)并將其與組織工程結(jié)合起來(lái)時(shí)，有可能在多個(gè)器官中復(fù)制這種技術(shù)。”據(jù)研究人員稱(chēng)，該設(shè)備終可能會(huì)加快藥物開(kāi)發(fā)過(guò)程，使其更快、更便宜。研究人員可以從一開(kāi)始就使用微型泵來(lái)更好地預(yù)測(cè)成功或失敗，而不是花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)甚至幾十年的時(shí)間在開(kāi)發(fā)管道中移動(dòng)一種藥物，終在人體試驗(yàn)中看到它落在后一個(gè)障礙。該項(xiàng)目是CELL MET的一部分，它是由BU領(lǐng)導(dǎo)的細(xì)胞超材料的多機(jī)構(gòu)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)工程研究中心。該中心的目標(biāo)是再生患病的人類(lèi)心臟組織，建立一個(gè)由科學(xué)家和行業(yè)專(zhuān)家組成的社區(qū)，以測(cè)試新藥，并為因心臟病發(fā)作或疾病受損的心臟制造人工植入補(bǔ)片。懷特說(shuō)心臟病是美國(guó)的頭號(hào)死因，影響著我們所有人。他在2013年加入波士頓大學(xué)之前是阿爾卡特朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室的首席科學(xué)家。如今，心臟病發(fā)作沒(méi)有治愈方法。CELL-MET的愿景是改變這種狀況。個(gè)性化醫(yī)療你的心臟有很多問(wèn)題。當(dāng)它在所有四個(gè)氣缸上正常工作時(shí)，心臟的兩個(gè)頂部和兩個(gè)底部腔室保持血液流動(dòng)，使富氧血液循環(huán)并供給身體。但當(dāng)疾病襲來(lái)時(shí)，將血液從心臟帶走的動(dòng)脈可能會(huì)變窄或堵塞，瓣膜可能會(huì)泄漏或失靈，心肌可能會(huì)變薄或變厚，或者電信號(hào)可能會(huì)變短，導(dǎo)致心跳過(guò)多或過(guò)少。如果不加以控制，心臟病會(huì)導(dǎo)致呼吸困難、疲勞、腫脹和胸痛等不適，對(duì)許多人來(lái)說(shuō)，還會(huì)導(dǎo)致死亡。BU的威廉·F·沃倫生物醫(yī)學(xué)工程杰出教授克里斯托弗·陳（Christopher Chen）說(shuō)：“心臟在向我們的身體輸送血液時(shí)會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的力量。雖然我們知道，由于高血壓或瓣膜疾病等異常力量，心肌會(huì)發(fā)生更嚴(yán)重的變化，但很難模擬和研究這些疾病過(guò)程。這就是為什么我們想要建造一個(gè)小型心臟室?！?/span>
微型泵只有3平方厘米，比一張郵票大不了多少。其定制組件安裝在一塊薄薄的3D打印塑料上，可以像人的心室或肌肉下腔一樣工作。這里有微型的丙烯酸閥門(mén)，可以打開(kāi)和關(guān)閉來(lái)控制液態(tài)水的流動(dòng)，而不是血液和小管，就像動(dòng)脈和靜脈一樣輸送液體。在一個(gè)角落里跳動(dòng)，使心臟組織收縮的肌肉細(xì)胞，心肌細(xì)胞，使用干細(xì)胞技術(shù)制造。
克里斯托斯·米查斯（Christos Michas，ENG'21）是一名博士后研究員，他設(shè)計(jì)并領(lǐng)導(dǎo)了微型泵的開(kāi)發(fā)，作為其博士論文的一部分。
為了制造心肌細(xì)胞，研究人員從成人身上提取一個(gè)細(xì)胞——可以是皮膚細(xì)胞、血細(xì)胞，或者幾乎任何其他細(xì)胞——將其重新編程為胚胎樣干細(xì)胞，然后將其轉(zhuǎn)化為心臟細(xì)胞。米查斯說(shuō)，除了讓這個(gè)設(shè)備具有真正的心臟功能外，心肌細(xì)胞還讓這個(gè)系統(tǒng)在幫助開(kāi)發(fā)個(gè)性化藥物方面具有巨大潛力。例如，研究人員可以將一個(gè)患病的組織放入設(shè)備中，然后在該組織上測(cè)試藥物，觀察其泵送能力如何受到影響。
有了這個(gè)系統(tǒng)，如果我從你身上提取細(xì)胞，我可以看到藥物在你體內(nèi)的反應(yīng)，因?yàn)檫@些是你的細(xì)胞，這個(gè)系統(tǒng)可以更好地復(fù)制心臟的某些功能，但同時(shí)也讓我們能夠靈活地復(fù)制不同的人類(lèi)。它是一個(gè)更具預(yù)測(cè)性的模型，可以在不真正進(jìn)入人類(lèi)的情況下觀察人類(lèi)會(huì)發(fā)生什么。
根據(jù)米查斯的說(shuō)法，這可以讓科學(xué)家在進(jìn)入臨床試驗(yàn)之前很久就評(píng)估一種新的心臟病藥物的成功幾率。許多候選藥物因其不良副作用而失敗。
一開(kāi)始，當(dāng)我們還在玩細(xì)胞游戲時(shí)，我們可以引入這些設(shè)備，并對(duì)臨床試驗(yàn)中會(huì)發(fā)生什么進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，這也意味著這些藥物的副作用可能更少。
比頭發(fā)還細(xì)
微型泵的關(guān)鍵部件之一是一個(gè)丙烯酸支架，它在心臟組織收縮時(shí)支撐并隨心臟組織移動(dòng)。一系列比人的頭發(fā)還細(xì)的超細(xì)同心螺旋通過(guò)水平環(huán)連接在一起，支架看起來(lái)像一個(gè)藝術(shù)活塞。這是謎題中的一個(gè)關(guān)鍵部分，它賦予了心臟細(xì)胞結(jié)構(gòu)，如果沒(méi)有它，心臟細(xì)胞將只是一個(gè)無(wú)形的團(tuán)，但不會(huì)對(duì)它們施加任何主動(dòng)力。
“我們不認(rèn)為以前研究心臟組織的方法能夠捕捉肌肉在你身體中的反應(yīng)方式，這讓我們第一次有機(jī)會(huì)構(gòu)建出一種機(jī)械上更類(lèi)似于我們認(rèn)為心臟實(shí)際經(jīng)歷的東西，這是向前邁出的一大步?！标愓f(shuō)，他也是BU生物設(shè)計(jì)中心的主任，也是哈佛大學(xué)Wyss生物靈感工程研究所的副教授。
為了打印每一個(gè)微小的組件，該團(tuán)隊(duì)使用了一種稱(chēng)為雙光子直接激光寫(xiě)入的過(guò)程——一種更精確的3D打印版本。當(dāng)光線射入液體樹(shù)脂時(shí)，它接觸的區(qū)域變成固體；因?yàn)楣饪梢匀绱司_地聚焦到一個(gè)微小的點(diǎn)上，所以微型泵中的許多部件都是以微米為單位測(cè)量的，比塵埃顆粒還小。
決定將泵如此小，而不是真人大小或更大，是經(jīng)過(guò)深思熟慮的，對(duì)其功能至關(guān)重要。
結(jié)構(gòu)元素非常精細(xì)，以至于通常很硬的東西都是柔性的。丙烯酸可以非常堅(jiān)硬，但在微型泵的規(guī)模下，丙烯酸支架可以被跳動(dòng)的心肌細(xì)胞壓縮。
該泵的規(guī)模表明，有了更精細(xì)的打印架構(gòu)，你可能能夠創(chuàng)建比我們之前認(rèn)為可能的更復(fù)雜的細(xì)胞組織。目前，當(dāng)研究人員試圖創(chuàng)造細(xì)胞時(shí)，無(wú)論是心臟細(xì)胞還是肝細(xì)胞，它們都是無(wú)序的，這意味著在微型泵中開(kāi)創(chuàng)的組織支架具有超越心臟的巨大潛在影響，為其他從腎到肺的器官芯片奠定基礎(chǔ)。
改進(jìn)技術(shù)
微型泵團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)直接目標(biāo)是什么？改進(jìn)技術(shù)。他們還計(jì)劃測(cè)試在不影響其可靠性的情況下制造該設(shè)備的方法。
有太多的研究應(yīng)用，陳說(shuō)除了讓我們能夠接觸到人類(lèi)的心肌來(lái)研究疾病和病理學(xué)，這項(xiàng)工作還為制造心臟貼片鋪平了道路，這些貼片終可能適用于當(dāng)前心臟有缺陷的人。
