作為人體血液循環(huán)的動(dòng)力之源，心臟健康對于人體健康的重要性不言而喻。然而，自然界中卻存在著很多威脅心臟健康的物質(zhì)。據(jù)世界衛(wèi)生組織最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，每年因心血管疾病死亡的人數(shù)約占全球死亡總?cè)藬?shù)的1/3。微納米塑料（MNPs）便是這些心臟的“敵人”中的一員。為監(jiān)測MNPs對于人體心臟健康的傷害，東南大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院教授梁戈玉和生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院研究員陳早早團(tuán)隊(duì)整合心臟類器官和器官芯片技術(shù)的優(yōu)勢，構(gòu)建了心臟類器官芯片（COoC），為體外心臟毒性評估提供了一種有潛力的新模型。近日，相關(guān)成果在線發(fā)表在《美國化學(xué)會(huì)-納米》（ACS Nano）。

傳統(tǒng)評估模型準(zhǔn)確性、仿真性不足

目前開展心臟毒理、藥理學(xué)研究的方法大多仍采取傳統(tǒng)的評估模型，即動(dòng)物模型和體外細(xì)胞模型。前者具有模擬整體效應(yīng)，后者具有經(jīng)濟(jì)便捷、容易大量擴(kuò)增等優(yōu)勢，但隨著研究的深入，其缺陷也逐漸暴露。

對于動(dòng)物模型來說，盡管以小鼠為代表的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和人體在基因組上具有一定相似，但是仍不可避免地存在一些關(guān)鍵基因表達(dá)、器官功能結(jié)構(gòu)的差異，容易導(dǎo)致從動(dòng)物獲取的實(shí)驗(yàn)結(jié)論外推至人體時(shí)失敗。

對于體外細(xì)胞模型來說，在真實(shí)情況下，人體器官由多種細(xì)胞類型組成，細(xì)胞與細(xì)胞之間存在“交流”，面對外來毒物等“敵人”來襲，往往能夠相互協(xié)作、共同御敵，而通過培養(yǎng)單層的細(xì)胞模型并不能高仿真性地模擬人體內(nèi)復(fù)雜的生理情況。

因此，開發(fā)一種更接近人體心臟的新型模型用于體外心臟疾病研究至關(guān)重要。心臟類器官和器官芯片技術(shù)的誕生為克服現(xiàn)存的問題提供了新的契機(jī)。

芯片上的“迷你心臟”

心臟類器官是通過對有分化潛能的人體多能干細(xì)胞進(jìn)行精細(xì)調(diào)控分化，“指揮”其變成一顆顆“迷你心臟”。這樣的“心臟”在基因組上更接近人體心臟，有效解決了種屬差異的問題。不僅如此，這種“迷你心臟”具備類似人體真實(shí)心臟的多種細(xì)胞類型，能模擬真實(shí)人體心臟的搏動(dòng)情況，能夠肉眼可見其在體外持續(xù)跳動(dòng)。

為了更進(jìn)一步模擬人體心臟中的流體力學(xué)，東南大學(xué)梁戈玉教授聯(lián)合陳早早研究員團(tuán)隊(duì)基于前沿醫(yī)工交叉技術(shù)，構(gòu)建了“心臟類器官芯片”。

整合心臟類器官和器官芯片技術(shù)構(gòu)建高通量的心臟類器官芯片，在體外高仿真性地模擬人體心臟

什么是“心臟類器官芯片”？簡單來說，就是通過器官芯片為“迷你心臟”搭建了一個(gè)“房子”。在不足巴掌大的“小房子”里，可以提供類似人體心臟的力學(xué)信號，從而達(dá)到更仿真地模擬體內(nèi)環(huán)境的目的。通過對心臟類器官芯片進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，該芯片可以快速響應(yīng)于心臟藥物的刺激，表現(xiàn)出心臟跳動(dòng)加快、減慢、心律失常以及分泌心肌損傷標(biāo)志物等類似臨床上的表現(xiàn)。

 構(gòu)建成功的心臟類器官芯片能在體外長期穩(wěn)定跳動(dòng)并且表達(dá)類似人體心臟中存在的關(guān)鍵細(xì)胞組分

體外實(shí)時(shí)、可視化追蹤“敵人”

微納米塑料（MNPs）由塑料制品在紫外線照射、物理磨損和生物降解等情況下逐漸分解而成，在生態(tài)環(huán)境中大量廣泛存在。這些微小粒子由于體積小，質(zhì)量輕，非常容易經(jīng)消化道和呼吸道進(jìn)入人體，并且穿透血管屏障，跟隨血液流至全身各個(gè)臟器，具有巨大的健康隱患。

目前關(guān)于MNPs對心臟損傷效應(yīng)的研究處于初步階段，對于MNPs暴露引起的心臟損傷的早期損傷的關(guān)鍵事件、晚期結(jié)局的特征以及在心臟病理狀態(tài)下對于MNPs的易感性等問題均有待探索。

為了更全面地了解心臟隱藏的敵人，團(tuán)隊(duì)成員利用構(gòu)建的心臟類器官芯片在體外實(shí)時(shí)、可視化地對MNPs進(jìn)入心臟并發(fā)揮心臟毒性的全過程進(jìn)行了長期地追蹤。

科研人員選取了短期和長期兩個(gè)暴露時(shí)間點(diǎn)對納米塑料誘導(dǎo)的心臟損傷進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，揭示了納米塑料能夠以時(shí)間-依賴性和劑量-依賴性的方式誘導(dǎo)心臟結(jié)構(gòu)和功能受損。通過轉(zhuǎn)錄組測序分析顯示，氧化應(yīng)激、炎癥應(yīng)答、鈣離子穩(wěn)態(tài)失衡、線粒體損傷在MNPs誘導(dǎo)心臟損傷的早期發(fā)揮關(guān)鍵作用，而心臟纖維化是心臟損傷晚期的突出特征。

基于心臟類器官芯片實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、可視化地探究新型污染物——微納米塑料短期和長期暴露對于健康心臟的損傷效應(yīng)以及病理狀態(tài)下的心臟對于微納米塑料的易感性

此外，為了探究納米塑料對于具有心臟基礎(chǔ)疾病人群的影響，科研人員誘導(dǎo)了“心肌梗死”的病理模型，并且發(fā)現(xiàn)心臟病理狀態(tài)下對于低劑量納米塑料暴露的易感性大大增加。

通訊員 吳涵玉

揚(yáng)子晚報(bào)/紫牛新聞 王赟

校對 盛媛媛