Advanced Healthcare Materials: 高模量导电水凝胶构建功能化心肌组织用于药物筛选

药物研发从细胞和动物实验、临床前研究到临床应用的过程十分漫长,且耗费巨大;与此同时,在过去30年里,约1/3的临床药物由于心脏毒性被召回。因此,建立更为快速有效的体外筛选和毒性评价平台对于药物的研发具有重要意义。

天然心肌是电活性组织,其中分布具有电传导功能的浦肯野纤维;源自窦房结的电信号通过心肌时,通过“兴奋-收缩”偶联作用诱发心肌细胞同步收缩,同时还具有能够支持心脏搏动时持续的收缩和舒张的力学强度。水凝胶能吸收并保持大量水分,利于细胞营养物质及代谢产物的输运,理化性质可调控,广泛用于心肌组织工程的研究。但单一成分的水凝胶通常为电绝缘材料,会阻碍细胞间电信号的有效传递;此外,一般水凝胶的模量比较低,在支持心肌细胞收缩方面尚不理想。

中国医学科学院基础医学研究所许海燕课题组与北京化工大学国家碳纤维工程技术中心徐樑华课题组合作,模拟天然心肌组织中浦肯野细胞的分布和电传导功能,采用循环冷冻-解冻方法将高电导率和高模量的碳纤维(CF)与生物相容性良好的聚乙烯醇(PVA)复合。水凝胶表面具有类似天然细胞外基质微观结构的贯通微孔,凝胶中的碳纤维直径为7 μm,局部取向排列;形成了一种导电性、力学性能和结构各向异性均接近天然心肌组织的复合水凝胶,该复合水凝胶通过激活α5β1整合素介导的力学信号转导通路和上调RhoA、HIF-1α的表达,显著增强了原代大鼠心肌细胞的体外成熟及其电生理功能,所形成的细胞/水凝胶复合体具有更为规律的自主搏动,其搏动频率对心脏毒性药物阿霉素具有长程响应,并能够快速有效地响应心率调节药物异丙肾上腺素的作用,有希望成为一种快速、成本相对较低的体外心脏药物的筛选及毒性评价平台。

该工作为导电水凝胶在组织工程中的应用提供了新的思路和灵感,同时,提示了高强高模碳纤维在体外构建3D功能化组织方面可能具有重要应用价值。相关工作以“High Modulus Conductive Hydrogels Enhance In Vitro Maturation and Contractile Function of Primary Cardiomyocytes for Uses in Drug Screening”为题,发表在Advanced Healthcare Materials (DOI/10.1002/adhm.201800990)上,第一作者为博士研究生吴凤新和高爱军副教授。

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