Small Methods:实现电刺激和微槽协同作用的心肌组织芯片用于药物筛选

动物模型和细胞培养是当前药物开发的重要工具,但与人体试验相比,这些平台在功效和副作用方面可能与临床试验有着惊人的差异,这些差异可能会延长药物开发过程,甚至导致药物退出市场。因此,开发临床前仿真人体药物筛选平台是加速药物开发与筛选亟需解决的问题。心脏作为人体最重要的器官之一,通过不断伸缩使血液在心血管网络系统中循环向全身输送营养和氧气,心脏也因其中枢功能而易受到各种药物治疗的危害。因此,开发与心脏高度相似性的功能芯片将有潜力用于临床前心脏保护药物筛选以及个体化心脏毒性评估。近期,美国加州大学洛杉矶分校、Terasaki生物医学创新研究所的孙梧进博士,Samad Ahadian博士,以及Ali Khademhosseini教授团队在开发可用于高通量药物筛选的人体仿真心肌组织芯片方面取得重要进展。

为创建仿生心肌组织高通量药物筛选芯片,研究团队首先构建了一个接近心肌组织条纹结构的微槽衬底,使心肌细胞像心肌组织条纹一般整齐排列在其中,然后选用模拟生物电信号来促进心肌细胞的成熟以及跳动,研究发现电刺激和微槽的协同作用极大地促使了心肌细胞的成熟和表型变化;与传统细胞培养中杂乱无章且跳动微弱的细胞相比,在协同作用下的心肌细胞产生了强有力的同步跳动。针对高通量药物筛选的要求,研究团队采用了激光切割工艺制成基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的细胞培养室,培养室的大小和数量可根据不同实验需要进行改变和优化。通过设计与细胞培养室配套的梳状金电极阵列,每一个高通量心肌组织芯片可以接受到均匀稳定的电刺激信号。研究团队进一步利用设计好的仿生心肌组织芯片进行了包括传统抗癌药物以及心脏保护药物在内的多种药物筛选。与传统药物筛选平台相比,得益于仿真心肌组织芯片中更加成熟的心肌组织细胞,芯片试验可以获得与动物实验或临床应用中更为接近的药物毒副作用结果。并且,此芯片还可以用于联合用药治疗方式筛选、药物再利用,以及个体化药物筛选。此芯片设计简单、药物筛选周期短,它的易用性、快速性和产生更接近临床药物反应的能力可以使其成为快速药物开发的有力工具。

相关结果近期以“Combined Effects of Electric Stimulation and Microgrooves in Cardiac Tissue-on-a-Chip for Drug Screening”为题发表于Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.202000438),西北工业大学生命学院任丽副教授与加州大学洛杉矶分校研究生周兴武以及Rohollah Nasiri为共同第一作者。