为监控“敌人”，他们做了一个芯片上的“心脏”

 

作为人体血液循环的动力之源，心脏健康对于人体健康的重要性不言而喻。然而自然界中却存在着很多威胁心脏健康的物质。根据世界卫生组织统计的数据显示，每年因心血管疾病死亡的人数约占全球死亡总人数的1/3。

微纳米塑料（MNPs）便是其一。

目前，MNPs广泛分布于生态系统中，已成为全球新型污染物。人体血液和多脏器中均被证实可以检测到MNPs的存在，先前的研究也已初步证明MNPs具有潜在的心脏毒性。

如何精准实时地对MNPs进入心脏并引起心脏毒性的全过程进行可视化追踪，成为人们保护心脏、抵御外敌的关键。

对此，东南大学公共卫生学院教授梁戈玉与生物科学与医学工程学院研究员陈早早团队整合心脏类器官和器官芯片技术优势，构建了心脏类器官芯片（COoC），为体外心脏毒性评估提供了一种有潜力的新模型。

近日，相关成果在线发表在国际著名学术期刊《美国化学会纳米期刊》（ACS Nano）。

传统评估模型准确性、仿真性不足

目前，研究人员开展心脏毒理、药理学研究的方法大多仍采取传统的评估模型，主要包括动物模型和体外细胞模型。这两类模型尤其自身优势，比如经济便捷等，但随着研究的深入，两者的缺陷也逐渐暴露——

对于动物模型来说，尽管以小鼠为代表的实验动物和人体在基因组上具有一定相似，但是仍不可避免地存在一些关键基因表达、器官功能结构的差异，容易导致从动物获取的实验结论外推至人体时失败。

对于体外细胞模型来说，在真实情况下，人体器官是由多种细胞类型组成的，而细胞之间则存在一定的“交流”，面对外来毒物等的侵袭时，往往能相互协作、共同御敌，但通过培养单层的细胞模型并不能高仿真性地模拟人体内复杂的生理情况。

因此，开发一种更接近人体心脏的新型模型，对于体外心脏疾病研究至关重要，而心脏类器官和器官芯片技术的诞生则为克服现存问题提供了新契机。

芯片上的“迷你心脏”

心脏类器官是通过对有分化潜能的人体多能干细胞进行精细调控分化，“指挥”其变成一颗颗“迷你心脏”。这样的“心脏”在基因组上更接近人体心脏，有效解决了种属差异的问题。不仅如此，这种“迷你心脏”具备类似人体真实心脏的多种细胞类型，能模拟真实人体心脏的搏动情况，能够肉眼可见其在体外持续跳动。

为了进一步模拟人体心脏中的流体力学，梁戈玉、陈早早团队基于前沿医工交叉技术，构建了“心脏类器官芯片”。

所谓“心脏类器官芯片”，简单来说就是通过器官芯片，为“迷你心脏”搭建了一个“房子”。在不足巴掌大的“小房子”里，可以提供类似人体心脏的力学信号，从而达到更仿真地模拟体内环境的目的。

通过对心脏类器官芯片进行测试发现，该芯片可以快速对心脏药物的刺激产生响应，并表现出心脏跳动加快、减慢、心律失常以及分泌心肌损伤标志物等类似临床上的表现。

体外实时、可视化展开毒性测试

MNPs由塑料制品在紫外线照射、物理磨损和生物降解等情况下逐渐分解而成，在生态环境中广泛存在。这些微小粒子由于体积小，质量轻，非常容易经消化道和呼吸道进入人体，并且穿透血管屏障，跟随血液流至全身各脏器，具有巨大的健康隐患。

目前关于MNPs对心脏损伤效应的研究处于初步阶段，对于MNPs暴露引起的心脏损伤的早期损伤的关键事件、晚期结局的特征以及在心脏病理状态下对于MNPs的易感性等问题均有待探索。

为了更全面地了解心脏隐藏的敌人，团队成员利用构建的心脏类器官芯片在体外实时、可视化地对MNPs进入心脏并发挥心脏毒性的全过程进行了长期的追踪。

科研人员选取了短期和长期两个暴露时间点对纳米塑料诱导的心脏损伤进行动态观察，揭示了纳米塑料能够以时间-依赖性和剂量-依赖性的方式诱导心脏结构和功能受损。

通过转录组测序分析显示，氧化应激、炎症应答、钙离子稳态失衡、线粒体损伤在MNPs诱导心脏损伤的早期发挥关键作用，而心脏纤维化是心脏损伤晚期的突出特征。

此外，为了探究纳米塑料对于具有心脏基础疾病人群的影响，科研人员诱导了“心肌梗死”的病理模型，并且发现心脏病理状态下对于低剂量纳米塑料暴露的易感性大大增加。

东南大学公共卫生学院博士张天翊为相关论文第一作者，梁戈玉、陈早早为该论文的共同通讯作者。

相关论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c13262.