為監控“敵人”，他們做了一個芯片上的“心臟”

作為人體血液循環的動力之源，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。根據世界衛生組織統計的數據顯示，每年因心血管疾病死亡的人數約占全球死亡總人數的1/3。

微納米塑料（MNPs）便是其一。

目前，MNPs廣泛分布于生態系統中，已成為全球新型污染物。人體血液和多臟器中均被證實可以檢測到MNPs的存在，先前的研究也已初步證明MNPs具有潛在的心臟毒性。

如何精準實時地對MNPs進入心臟并引起心臟毒性的全過程進行可視化追蹤，成為人們保護心臟、抵御外敵的關鍵。

對此，東南大學公共衛生學院教授梁戈玉與生物科學與醫學工程學院研究員陳早早團隊整合心臟類器官和器官芯片技術優勢，構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，相關成果在線發表在國際著名學術期刊《美國化學會納米期刊》（ACS Nano）。

傳統評估模型準確性、仿真性不足

目前，研究人員開展心臟毒理、藥理學研究的方法大多仍采取傳統的評估模型，主要包括動物模型和體外細胞模型。這兩類模型尤其自身優勢，比如經濟便捷等，但隨著研究的深入，兩者的缺陷也逐漸暴露——

對于動物模型來說，盡管以小鼠為代表的實驗動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鍵基因表達、器官功能結構的差異，容易導致從動物獲取的實驗結論外推至人體時失敗。

對于體外細胞模型來說，在真實情況下，人體器官是由多種細胞類型組成的，而細胞之間則存在一定的“交流”，面對外來毒物等的侵襲時，往往能相互協作、共同御敵，但通過培養單層的細胞模型并不能高仿真性地模擬人體內復雜的生理情況。

因此，開發一種更接近人體心臟的新型模型，對于體外心臟疾病研究至關重要，而心臟類器官和器官芯片技術的誕生則為克服現存問題提供了新契機。

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胞進行精細調控分化，“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”具備類似人體真實心臟的多種細胞類型，能模擬真實人體心臟的搏動情況，能夠肉眼可見其在體外持續跳動。

為了進一步模擬人體心臟中的流體力學，梁戈玉、陳早早團隊基于前沿醫工交叉技術，構建了“心臟類器官芯片”。

所謂“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“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信號，從而達到更仿真地模擬體內環境的目的。

通過對心臟類器官芯片進行測試發現，該芯片可以快速對心臟藥物的刺激產生響應，并表現出心臟跳動加快、減慢、心律失常以及分泌心肌損傷標志物等類似臨床上的表現。

體外實時、可視化展開毒性測試

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，在生態環境中廣泛存在。這些微小粒子由于體積小，質量輕，非常容易經消化道和呼吸道進入人體，并且穿透血管屏障，跟隨血液流至全身各臟器，具有巨大的健康隱患。

目前關于MNPs對心臟損傷效應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鍵事件、晚期結局的特征以及在心臟病理狀態下對于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，團隊成員利用構建的心臟類器官芯片在體外實時、可視化地對MNPs進入心臟并發揮心臟毒性的全過程進行了長期的追蹤。

科研人員選取了短期和長期兩個暴露時間點對納米塑料誘導的心臟損傷進行動態觀察，揭示了納米塑料能夠以時間-依賴性和劑量-依賴性的方式誘導心臟結構和功能受損。

通過轉錄組測序分析顯示，氧化應激、炎癥應答、鈣離子穩態失衡、線粒體損傷在MNPs誘導心臟損傷的早期發揮關鍵作用，而心臟纖維化是心臟損傷晚期的突出特征。

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

東南大學公共衛生學院博士張天翊為相關論文第一作者，梁戈玉、陳早早為該論文的共同通訊作者。

相關論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c13262.