圖為研究團(tuán)隊(duì)研制的心臟類器官芯片。受訪單位供圖

◎科技日?qǐng)?bào)記者 金 鳳  通訊員 吳涵玉

微納米塑料廣泛分布于生態(tài)系統(tǒng)中，目前已成為全球新型污染物。此前研究發(fā)現(xiàn)，人體血液和臟器中均可檢測(cè)到微納米塑料，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害。精準(zhǔn)實(shí)時(shí)地對(duì)微納米塑料進(jìn)入心臟、發(fā)揮毒性的全過(guò)程進(jìn)行可視化追蹤，對(duì)于心臟保護(hù)具有重要作用。

記者近日從東南大學(xué)獲悉，該校教授梁戈玉、研究員陳早早團(tuán)隊(duì)整合心臟類器官和器官芯片技術(shù)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了心臟類器官芯片，為體外心臟毒性評(píng)估提供了新模型。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)·納米》。

模擬人體心臟力學(xué)信號(hào)

“目前，對(duì)于心臟毒理、藥理學(xué)的研究，大多采用動(dòng)物模型和體外細(xì)胞模型等傳統(tǒng)評(píng)估模型。隨著相關(guān)研究日益深入，其缺陷也逐漸暴露。”梁戈玉介紹，與人體相比，小鼠等動(dòng)物模型存在一些關(guān)鍵基因表達(dá)、器官功能結(jié)構(gòu)的差異。而單層的體外細(xì)胞模型，也難以真實(shí)模擬人體內(nèi)復(fù)雜的生理情況。

因此，開(kāi)發(fā)一種更接近人體心臟的新模型對(duì)于心臟疾病研究至關(guān)重要。心臟類器官和器官芯片技術(shù)的誕生為克服現(xiàn)有問(wèn)題提供了新途徑。心臟類器官是一種通過(guò)精細(xì)調(diào)控多能干細(xì)胞分化而得到的微組織，像是一顆“迷你心臟”?！八诨蚪M上更接近人體心臟，能有效解決種屬差異的問(wèn)題。”梁戈玉說(shuō)，這種“迷你心臟”還具備類似人體心臟的多種細(xì)胞類型，能模擬心臟真實(shí)的搏動(dòng)情況，肉眼可見(jiàn)其在體外持續(xù)跳動(dòng)。

為了更進(jìn)一步模擬人體心臟中的流體力學(xué)，研究團(tuán)隊(duì)基于前沿醫(yī)工交叉技術(shù)，構(gòu)建了心臟類器官芯片?！斑@種芯片將心臟類器官裝載其中，為其提供了必要的培養(yǎng)條件?！标愒缭缃榻B，這相當(dāng)于為“迷你心臟”搭建了一個(gè)“房子”。在不足巴掌大的“房子”里，該芯片可以提供與人體心臟相似的力學(xué)信號(hào)。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)心臟類器官芯片進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該芯片能夠快速響應(yīng)心臟藥物的刺激，模擬心臟跳動(dòng)加快、減慢以及心律失常等反應(yīng)，并可再現(xiàn)心肌損傷標(biāo)志物分泌，這些表現(xiàn)與臨床上的心臟反應(yīng)類似。

開(kāi)展體外心臟毒性測(cè)試

在紫外線照射、物理磨損和生物降解等情況下，塑料制品會(huì)逐漸分解出微納米塑料。梁戈玉介紹，由于體積小、質(zhì)量輕，微納米塑料容易經(jīng)消化道和呼吸道進(jìn)入人體，并穿透血管屏障，隨著血液循環(huán)流至各個(gè)臟器。

“目前關(guān)于微納米塑料對(duì)心臟損傷的研究處于初步階段，包括心臟在病理狀態(tài)下對(duì)微納米塑料的易感性等問(wèn)題仍需探索?！绷焊暧裾f(shuō)。

研究團(tuán)隊(duì)利用心臟類器官芯片，在體外實(shí)時(shí)、可視化地對(duì)微納米塑料進(jìn)入心臟并發(fā)揮毒性的全過(guò)程進(jìn)行了長(zhǎng)期追蹤。陳早早介紹，研究團(tuán)隊(duì)選取了短期和長(zhǎng)期兩個(gè)暴露時(shí)長(zhǎng)，對(duì)納米塑料、微納米塑料誘導(dǎo)的心臟損傷進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，發(fā)現(xiàn)微納米塑料能夠隨著時(shí)間的延長(zhǎng)和劑量的加大導(dǎo)致心臟結(jié)構(gòu)和功能受損加重。

“轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析顯示，氧化應(yīng)激、炎癥應(yīng)答、鈣離子穩(wěn)態(tài)失衡、線粒體損傷在微納米塑料誘導(dǎo)心臟損傷的早期發(fā)揮關(guān)鍵作用，而心臟纖維化是心臟損傷晚期的突出特征。”陳早早說(shuō)，為了探究微納米塑料對(duì)于具有心臟基礎(chǔ)疾病人群的影響，研究團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了心肌梗死的病理模型，發(fā)現(xiàn)心臟在病理狀態(tài)下對(duì)于低劑量納米塑料暴露的易感性大大增加。

梁戈玉說(shuō)，上述研究整合心臟類器官和器官芯片技術(shù)，開(kāi)發(fā)心臟類器官芯片，并從多個(gè)維度驗(yàn)證其作為體外心臟毒性測(cè)試平臺(tái)的可靠性。同時(shí)，研究聚焦微納米塑料的心臟毒性效應(yīng)及機(jī)制，為微納米塑料污染防治提供了理論依據(jù)。