一个由工程部件和干细胞组织制成的心脏腔的微型复制品——所有这些都包含在一个比邮票大不了多少的芯片上——可以帮助澳门威尼斯人注册网站研究人员澳门威尼斯人注册网站研究疾病和测试新的治疗方法。Jackie Ricciardi摄

心脏健康

新型微型心脏有助于加速心脏病的治疗

波士顿大学领导的澳门威尼斯人注册网站研究小组设计了一个微小的活体心脏室复制品，以更准确地模仿真实的器官，并为测试新的心脏病治疗方法提供了一个沙箱

没有安全的方法来近距离观察人类心脏的工作：你不能只是把它拿出来看一看，然后再把它放回去。科学家们尝试了不同的方法来解决这个基本问题：他们把尸体的心脏连接到机器上，让它们再次跳动，把实验室培养的心脏组织连接到弹簧上，观察它们的扩张和收缩。每种方法都有其缺陷：复活的心脏只能跳动几个小时；弹簧无法复制真正肌肉上的力量。但是，更好地了解这个重要器官是当务之急：根据疾病控制与预防中心的数据，在美国，每36秒就有一人死于心脏病。

现在，一个由工程师、生物学家和遗传学家组成的跨学科团队开发了一种澳门威尼斯人注册网站研究心脏的新方法：他们用纳米工程部件和人类心脏组织的组合构建了一个微型心脏腔。它没有弹簧或外部电源——就像真正的心脏一样，它只是自己跳动，由干细胞培育的活心脏组织驱动。该设备可以让澳门威尼斯人注册网站研究人员更准确地了解心脏是如何工作的，使他们能够跟踪心脏在胚胎中的生长情况，澳门威尼斯人注册网站研究疾病的影响，并测试新疗法的潜在有效性和副作用——所有这些对患者来说都是零风险的，而且无需离开实验室。

波士顿大学领导的团队开发了这个绰号为miniPUMP的小工具，其官方名称为心脏微型化精密单向微流体泵。他们表示，这项技术还可以为构建从肺到肾脏等其他器官的实验室版本铺平道路。他们的澳门威尼斯人注册网站研究结果发表在《科学进展》杂志上。

“我们可以用一种以前不可能的方式来澳门威尼斯人注册网站研究疾病的进展，”波士顿大学工程学院教授、机械工程系主任爱丽丝·怀特说。“我们之所以选择澳门威尼斯人注册网站研究心脏组织，是因为它的机制特别复杂，但我们表明，当你把纳米技术与组织工程结合起来，就有可能在多个器官上复制这种技术。”

据澳门威尼斯人注册网站研究人员称，该设备最终可以加快药物开发过程，使其更快、更便宜。澳门威尼斯人注册网站研究人员可以在一开始就使用miniPUMP来更好地预测药物的成功或失败，而不是花费数百万甚至可能几十年的时间，让一种药物通过研发管道，只看到它在人体试验时遇到最后的障碍。

该项目是CELL-MET的一部分，CELL-MET是由波士顿大学领导的多机构国家科学基金会细胞超材料工程澳门威尼斯人注册网站研究中心。该中心的目标是再生患病的人类心脏组织，建立一个由科学家和行业专家组成的社区，以测试新药，并为因心脏病发作或疾病而受损的心脏制造人工植入式补丁。

“心脏病是美国的头号死因，影响着我们所有人，”怀特说，他在2013年加入波士顿大学之前曾是阿尔卡特朗讯贝尔实验室的首席科学家。“今天，没有治愈心脏病发作的方法。CELL-MET的愿景就是改变这一点。”

个性化医疗

你的心脏会出很多问题。当四个柱体都正常运转时，心脏的两个上腔和两个下腔保持血液流动，使富氧血液循环，为身体提供养分。但当疾病发作时，将血液从心脏输送出去的动脉会变窄或阻塞，瓣膜会渗漏或失灵，心肌会变薄或变厚，或者电信号会缩短，导致心跳过多或过少。如果不加以控制，心脏病会导致不适——比如呼吸困难、疲劳、肿胀和胸痛——对许多人来说，甚至会导致死亡。

波士顿大学威廉·f·沃伦杰出教授、波士顿大学工程学院生物医学工程教授克里斯托弗·陈说：“当心脏将血液泵入我们的身体时，它会经历复杂的力量。”“虽然我们知道心肌会因异常力量而变得更糟，例如，由于高血压或瓣膜疾病，但很难模拟和澳门威尼斯人注册网站研究这些疾病的过程。”这就是为什么我们想要建造一个小型化的心腔。”

迷你泵只有3平方厘米，比一张邮票大不了多少。它的功能类似于人类的心脏心室——或肌肉的下腔——它的定制组件安装在一块3d打印的塑料薄片上。这里有微型丙烯酸阀门，打开和关闭来控制液体的流动——在这种情况下是水，而不是血液——还有小管子，像动脉和静脉一样将液体输送到漏斗状。在一个角落里跳动着，使心脏组织收缩的肌肉细胞，心肌细胞，是用干细胞技术制造的。

在左边，miniPUMP的一个腔室由于心脏组织的收缩而跳动。当组织跳动时，它会将液体喷射出腔体（右图）——就像人类心脏泵血一样。资料来源：Michas et al. Sci。ad8, eabm3791（2022）。本作品采用CC BY-NC授权

“它们是用诱导多能干细胞产生的，”克里斯托斯·米卡斯（21届ENG）说，他是一名博士后澳门威尼斯人注册网站研究员，设计并领导了miniPUMP的开发，这是他博士论文的一部分。

为了制造心肌细胞，澳门威尼斯人注册网站研究人员从一个成年人身上提取一个细胞——它可以是皮肤细胞、血细胞或任何其他细胞——将其重新编程成一个胚胎样的干细胞，然后将其转化为心脏细胞。Michas说，除了赋予该设备真正的心脏之外，心肌细胞还赋予该系统在帮助开创个性化药物方面的巨大潜力。例如，澳门威尼斯人注册网站研究人员可以将患病组织放入设备中，然后在该组织上测试一种药物，并观察其泵送能力如何受到影响。

“有了这个系统，如果我从你身上取出细胞，我就能看到药物在你体内的反应，因为这些是你的细胞，”Michas说。“这个系统更好地复制了心脏的一些功能，但与此同时，它给了我们复制不同人类的灵活性。这是一个更具预测性的模型，可以看到在人类身上会发生什么，而无需实际进入人类。”

根据Michas的说法，这可以让科学家在进入临床试验之前很久就能评估一种新的心脏病药物的成功机会。许多候选药物因其副作用而失败。

Michas说：“一开始，当我们还在澳门威尼斯人注册网站研究细胞时，我们可以引入这些设备，并对临床试验中会发生什么有更准确的预测。”“这也意味着这些药物的副作用可能会更少。”

比人的头发还细

miniPUMP的关键部件之一是一个丙烯酸支架，当心脏组织收缩时，它可以支撑心脏组织，并随心脏组织一起移动。一系列超细的同心螺旋——比人的头发还细——由水平环连接起来，支架看起来像一个艺术活塞。它是这个谜题的重要组成部分，它赋予心脏细胞结构——没有它，心脏细胞就只是一团没有形状的东西——但不会对它们施加任何积极的力量。

“我们不认为以前澳门威尼斯人注册网站研究心脏组织的方法能捕捉到肌肉在你体内的反应方式，”陈说，他也是波士顿大学生物设计中心的主任，也是哈佛大学怀斯生物启发工程澳门威尼斯人注册网站研究所的副教员。“这让我们第一次有机会制造出与我们认为的心脏实际体验更相似的东西——这是向前迈出的一大步。”

为了打印每一个微小的部件，该团队使用了一种称为双光子直接激光书写的工艺——一种更精确的3D打印。当光线照射到液体树脂中时，它接触到的区域变成固体；因为光线可以精确地瞄准——聚焦到一个微小的点上——miniPUMP中的许多组件都以微米为单位测量，比尘埃颗粒还小。

把水泵做得这么小，而不是真人大小或更大，是经过深思熟虑的决定，对它的功能至关重要。

怀特说：“结构元素是如此精细，以至于通常坚硬的东西都是柔性的。”“打个比方，想想光纤：玻璃窗很硬，但你可以把玻璃光纤缠在手指上。丙烯酸可能非常坚硬，但在miniPUMP中涉及的规模上，丙烯酸支架能够被跳动的心肌细胞压缩。”

陈说，泵的规模表明，“有了更精细的打印架构，你可能能够创造出比我们以前想象的更复杂的细胞组织。”他说，目前，当澳门威尼斯人注册网站研究人员试图创造细胞时，无论是心脏细胞还是肝细胞，它们都是无序的——“为了获得结构，你必须交叉手指，希望细胞能创造出一些东西。”这意味着miniPUMP首创的组织支架在心脏以外的领域有着巨大的潜在影响，为从肾脏到肺部的其他器官芯片奠定了基础。

改进技术

根据怀特的说法，这一突破之所以成为可能，是因为细胞- met澳门威尼斯人注册网站研究小组的专家们，不仅包括像她、陈和佛罗里达国际大学的阿尔温德·阿加瓦尔这样的机械、生物医学和材料工程师，还包括哈佛医学院的遗传学家乔纳森·g·塞德曼和哈佛医学院和布里格姆妇女医院的心血管医学专家克里斯汀·e·塞德曼。丰富的经验不仅使项目受益，也使Michas受益。作为一名电气和计算机工程专业的本科生，他说他“在开始这个项目之前从未见过细胞”。现在，他准备在总部位于西雅图的生物技术公司Curi Bio开始一个新的职位，这家公司将干细胞技术、组织生物系统和人工智能结合起来，为药物和治疗方法的开发提供动力。

Christos Michas正在实验室里拍摄miniPUMP的实时侧视图。可以透过组织看到为心脏细胞提供结构的支架，而无需对它们施加任何主动力。Jackie Ricciardi摄

“克里斯托斯了解生物学，”怀特说，“可以进行细胞分化和组织操作，但也了解纳米技术和以工程方式制造结构所需的东西。”

miniPUMP团队的下一个直接目标是什么？改进技术。他们还计划测试在不影响其可靠性的情况下制造该设备的方法。

“有很多澳门威尼斯人注册网站研究应用，”陈说。“除了让我们能够接触到人类心脏肌肉来澳门威尼斯人注册网站研究疾病和病理学之外，这项工作还为制造心脏贴片铺平了道路，最终可以为那些目前心脏有缺陷的人提供心脏贴片。”

该项目的其他澳门威尼斯人注册网站研究人员包括波士顿大学工程学院机械工程和材料科学与工程教授Kamil Ekinci，生物医学工程工程澳门威尼斯人注册网站研究助理教授Jeroen Eyckmans， m.Çağatay Karakan（工程22年），以及宾夕法尼亚大学博士后澳门威尼斯人注册网站研究员Pranjal Nautiyal，他最近在佛罗里达国际大学完成了博士学位。