微流控技術是一種通過微小的通道和微型裝置對流體進行精確操控和分析的技術。它是現代醫學技術發展過程中的一種重要的生物醫學工程技術，具有廣泛的應用前景和重要性。它在高通量分析、個性化醫療、細胞篩選等方面有著巨大的潛力，Aigtek安泰電子今天(tian)就將為大家(jia)分享一篇微流控領域研究成(cheng)果，一起接著往下看吧(ba)~

　　人誘導多能干(gan)細胞(bao)（hiPSC）來源(yuan)的(de)(de)(de)心(xin)(xin)肌組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)（hiPSC-CM），是一種極(ji)具潛力且可減少藥物研(yan)發中(zhong)動(dong)(dong)物測試的(de)(de)(de)體外組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)模(mo)型。然而(er)傳統(tong)基(ji)于生化(hua)(hua)因子定向誘導分(fen)(fen)化(hua)(hua)所得的(de)(de)(de)心(xin)(xin)肌組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)，其不成(cheng)熟(shu)的(de)(de)(de)特(te)性卻顯著影(ying)響了該(gai)類組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)實際(ji)應用。來自加州大學伯克利分(fen)(fen)校的(de)(de)(de)KevinE.Healy團隊通(tong)過在(zai)微流控芯片內部有機結合組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)工(gong)程(cheng)手(shou)段和(he)培養(yang)體系優化(hua)(hua)的(de)(de)(de)方式，大大提(ti)高了hiPSC來源(yuan)心(xin)(xin)肌組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)成(cheng)熟(shu)度，且這些誘導細胞(bao)成(cheng)熟(shu)的(de)(de)(de)因素對心(xin)(xin)肌細胞(bao)動(dong)(dong)作電位和(he)鈣(gai)離子調控的(de)(de)(de)影(ying)響具有表型依賴(lai)性。相(xiang)關論(lun)文(wen)“Metabolicallydrivenmaturationofhuman-induced-pluripotent-stem-cell-derivedcardiacmicrotissuesonmicrofluidicchips”發表于雜志NatureBiomedicalEngineering。

　　基(ji)于已有的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)報(bao)道，研(yan)究(jiu)(jiu)者(zhe)猜想將(jiang)組織(zhi)工程手段與可溶性(xing)因子(zi)優化(hua)進行(xing)結合，將(jiang)有望(wang)提高現(xian)有hiPSC-CM的(de)(de)(de)(de)成熟(shu)(shu)度。為(wei)此，研(yan)究(jiu)(jiu)者(zhe)首(shou)先在微(wei)流控(kong)芯(xin)(xin)片中建立了大小不同(tong)、特(te)異性(xing)排列(lie)的(de)(de)(de)(de)微(wei)柱陣列(lie)，以作為(wei)心(xin)肌(ji)細胞(bao)的(de)(de)(de)(de)附著位點，從而促(cu)進多層組織(zhi)自組裝(zhuang)的(de)(de)(de)(de)一(yi)致性(xing)，并實現(xian)心(xin)肌(ji)組織(zhi)的(de)(de)(de)(de)肌(ji)節排列(lie)和單(dan)軸跳動(dong)（圖1）。隨后，研(yan)究(jiu)(jiu)者(zhe)將(jiang)同(tong)源的(de)(de)(de)(de)hiPSC-CM和基(ji)質細胞(bao)（hiPSC-SC）在上述芯(xin)(xin)片微(wei)生理系統（MPS）中進行(xing)共培(pei)(pei)養(yang)，并探(tan)索(suo)了葡萄糖、油酸、棕(zong)櫚酸和白蛋白（這里選用BSA）等不同(tong)碳源對心(xin)肌(ji)組織(zhi)成熟(shu)(shu)度的(de)(de)(de)(de)影響。在10天的(de)(de)(de)(de)培(pei)(pei)養(yang)過(guo)程中，研(yan)究(jiu)(jiu)者(zhe)通(tong)(tong)過(guo)對心(xin)肌(ji)組織(zhi)的(de)(de)(de)(de)跳動(dong)現(xian)象和鈣通(tong)(tong)量表征(zheng)，最終(zhong)確(que)認同(tong)時存(cun)在油酸和棕(zong)櫚酸兩類(lei)脂肪酸、降低葡萄糖含量、提高BSA含量的(de)(de)(de)(de)新(xin)型(xing)成熟(shu)(shu)培(pei)(pei)養(yang)基(ji)（MM）為(wei)最佳促(cu)成熟(shu)(shu)組合。

　　圖1優(you)化的hiPSC來源心肌微生理系統(tong)

　　在完成微流控芯(xin)片的(de)(de)(de)(de)構建和(he)(he)碳源(yuan)優化后，研究者基于WTC（野(ye)生C型(xing)(xing)）hiPSC建立了心(xin)(xin)(xin)(xin)肌(ji)(ji)(ji)(ji)微生理(li)系(xi)(xi)統(tong)，并(bing)對(dui)MM引起(qi)的(de)(de)(de)(de)心(xin)(xin)(xin)(xin)肌(ji)(ji)(ji)(ji)鈣瞬變(bian)(bian)和(he)(he)動(dong)作(zuo)電位變(bian)(bian)化進行了系(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)表征(zheng)。結果表明(ming)，MM有效縮短了心(xin)(xin)(xin)(xin)肌(ji)(ji)(ji)(ji)微生理(li)系(xi)(xi)統(tong)中的(de)(de)(de)(de)心(xin)(xin)(xin)(xin)肌(ji)(ji)(ji)(ji)動(dong)作(zuo)電位時程（APD），并(bing)提(ti)高了基線標(biao)準(zhun)化的(de)(de)(de)(de)鈣振幅；但(dan)同樣的(de)(de)(de)(de)測試在2D培養的(de)(de)(de)(de)心(xin)(xin)(xin)(xin)肌(ji)(ji)(ji)(ji)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)中無明(ming)顯變(bian)(bian)化。接著，研究者利用WTC和(he)(he)SCVI20（斯坦(tan)福大學(xue)心(xin)(xin)(xin)(xin)血管生物庫細胞系(xi)(xi)20）兩類hiPSC來(lai)源(yuan)的(de)(de)(de)(de)心(xin)(xin)(xin)(xin)肌(ji)(ji)(ji)(ji)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)，探究了MM對(dui)不(bu)同基因型(xing)(xing)細胞作(zuo)用的(de)(de)(de)(de)差異(yi)。從(cong)(cong)動(dong)作(zuo)電位的(de)(de)(de)(de)角(jiao)度(du)看，SCVI20心(xin)(xin)(xin)(xin)肌(ji)(ji)(ji)(ji)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)初始(shi)APD更短，但(dan)隨(sui)著培養時間達到10天，該類組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)APD與(yu)WTC心(xin)(xin)(xin)(xin)肌(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)(he)原(yuan)代成人(ren)心(xin)(xin)(xin)(xin)肌(ji)(ji)(ji)(ji)逐漸趨同；從(cong)(cong)鈣離子通量的(de)(de)(de)(de)角(jiao)度(du)看，SCVI20心(xin)(xin)(xin)(xin)肌(ji)(ji)(ji)(ji)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)與(yu)WTC組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)具有類似(si)的(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化趨勢，但(dan)其最大鈣離子上升速度(du)提(ti)升更明(ming)顯（圖2）。這(zhe)也初步說明(ming)了微流控芯(xin)片中的(de)(de)(de)(de)3D培養環(huan)境(jing)和(he)(he)優化的(de)(de)(de)(de)MM對(dui)心(xin)(xin)(xin)(xin)肌(ji)(ji)(ji)(ji)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)動(dong)作(zuo)電位和(he)(he)鈣瞬變(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)具有協同效應，且這(zhe)種影(ying)響(xiang)具有基因型(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)特異(yi)性。

　　圖(tu)2成熟心肌MPS的(de)動(dong)作電位(wei)表(biao)征

　　隨后，研(yan)究者探(tan)究了(le)MM對心(xin)(xin)(xin)肌組(zu)織(zhi)(zhi)中(zhong)(zhong)線(xian)粒體(ti)形態結構的(de)(de)影(ying)響。基于熒光表征不(bu)難發(fa)(fa)現，不(bu)同hiPSC來源的(de)(de)心(xin)(xin)(xin)肌組(zu)織(zhi)(zhi)，其(qi)中(zhong)(zhong)線(xian)粒體(ti)內跨膜電位都有(you)顯著上調，提示MM培(pei)養基處(chu)理(li)后的(de)(de)心(xin)(xin)(xin)肌MPS中(zhong)(zhong)氧化磷酸化現象明(ming)顯增加(jia)。另外，盡管線(xian)粒體(ti)的(de)(de)密度沒有(you)明(ming)顯變化，但MM的(de)(de)處(chu)理(li)使(shi)其(qi)排布更(geng)(geng)(geng)加(jia)規則，并使(shi)線(xian)粒體(ti)延伸出更(geng)(geng)(geng)多絲狀物從而形成網絡。當然，在2D培(pei)養的(de)(de)心(xin)(xin)(xin)肌組(zu)織(zhi)(zhi)中(zhong)(zhong)，未發(fa)(fa)現上述變化（圖3）。這些(xie)數據可以說明(ming)，優化后的(de)(de)MM培(pei)養基在心(xin)(xin)(xin)肌MPS中(zhong)(zhong)有(you)效改變了(le)細胞(bao)中(zhong)(zhong)線(xian)粒體(ti)的(de)(de)狀態，使(shi)心(xin)(xin)(xin)肌組(zu)織(zhi)(zhi)處(chu)于更(geng)(geng)(geng)趨向于成熟態的(de)(de)代謝(xie)表型。

　　圖3MM處理心肌(ji)MPS后的線粒體形(xing)態(tai)學(xue)變化

　　接著，研究者觀測(ce)了心(xin)(xin)(xin)肌(ji)微(wei)生理(li)系(xi)統中(zhong)(zhong)的(de)(de)力(li)(li)學(xue)效應(ying)(ying)。首先，僅從肌(ji)節形態和(he)排布來(lai)看，MM的(de)(de)處(chu)(chu)理(li)在(zai)WTC和(he)SCVI20來(lai)源(yuan)心(xin)(xin)(xin)肌(ji)中(zhong)(zhong)都不會產生顯著影響(xiang)(xiang)。將微(wei)流控(kong)芯片(pian)中(zhong)(zhong)微(wei)柱(zhu)的(de)(de)形變轉化為受力(li)(li)的(de)(de)大小，可(ke)以發現(xian)：在(zai)高濃度(du)(du)鈣離子(zi)的(de)(de)刺激(ji)下，MM處(chu)(chu)理(li)組和(he)常(chang)規培(pei)養基(ji)組的(de)(de)心(xin)(xin)(xin)肌(ji)組織(zhi)施力(li)(li)效果相(xiang)近。然而MM處(chu)(chu)理(li)后的(de)(de)WTC心(xin)(xin)(xin)肌(ji)組織(zhi)卻表現(xian)出對(dui)低濃度(du)(du)鈣刺激(ji)更敏感的(de)(de)效應(ying)(ying)。同(tong)時(shi)，在(zai)一(yi)定范圍內(nei)MM處(chu)(chu)理(li)的(de)(de)心(xin)(xin)(xin)肌(ji)MPS會對(dui)鈣離子(zi)濃度(du)(du)變化響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)更為劇(ju)烈。當在(zai)心(xin)(xin)(xin)肌(ji)MPS中(zhong)(zhong)施加(jia)異(yi)丙腎上(shang)(shang)腺素這一(yi)誘因時(shi)，WTC和(he)SCVI20來(lai)源(yuan)的(de)(de)心(xin)(xin)(xin)肌(ji)組織(zhi)分別(bie)表現(xian)為輕微(wei)的(de)(de)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)遲(chi)鈍(dun)或敏感；而時(shi)序性(xing)改變異(yi)丙腎上(shang)(shang)腺素的(de)(de)刺激(ji)時(shi)，兩類(lei)心(xin)(xin)(xin)肌(ji)組織(zhi)則都表現(xian)為響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)更為遲(chi)鈍(dun)（圖4）。總體來(lai)看，這些數據表明MM的(de)(de)處(chu)(chu)理(li)不會損害肌(ji)節或干擾(rao)興奮-收縮耦合(he)(he)及受體反應(ying)(ying)性(xing)；但在(zai)細胞外鈣的(de)(de)含量受限(xian)時(shi)，MM處(chu)(chu)理(li)則會增強鈣收縮耦合(he)(he)。

　　圖(tu)4MM處理后心肌MPS的變力響應

　　在(zai)接下來的(de)(de)部分，研究者從基因表(biao)達(da)的(de)(de)角度表(biao)征了(le)MM處(chu)理后心(xin)肌(ji)(ji)MPS的(de)(de)變(bian)(bian)化。結果表(biao)明，MM的(de)(de)處(chu)理并不會(hui)顯著改變(bian)(bian)WTC和SCVI20心(xin)肌(ji)(ji)組織(zhi)(zhi)中電生理學、細胞特(te)性、收縮性和鈣調控相(xiang)關的(de)(de)基因表(biao)達(da)。但在(zai)WTC心(xin)肌(ji)(ji)組織(zhi)(zhi)中，肌(ji)(ji)脂(zhi)蛋(dan)白和鈣離(li)子(zi)通(tong)(tong)道(dao)相(xiang)關的(de)(de)基因（SLN、HCN2和CACNB2）表(biao)達(da)有上(shang)調趨勢，而與鉀離(li)子(zi)通(tong)(tong)道(dao)和乙醛脫氫酶相(xiang)關的(de)(de)基因（KCND2和ALDH1A1）表(biao)達(da)則(ze)有下調趨勢。對(dui)SCVI20心(xin)肌(ji)(ji)組織(zhi)(zhi)來說，與鉀離(li)子(zi)通(tong)(tong)道(dao)相(xiang)關的(de)(de)KCNJ2和KCND2基因分別出(chu)現(xian)了(le)顯著的(de)(de)下調和上(shang)調；而與肌(ji)(ji)脂(zhi)蛋(dan)白和鈣離(li)子(zi)通(tong)(tong)道(dao)相(xiang)關的(de)(de)基因（SLNCACNB2）則(ze)只有輕微的(de)(de)上(shang)調。同樣地，很難在(zai)2D培養的(de)(de)心(xin)肌(ji)(ji)組織(zhi)(zhi)中發現(xian)這些(xie)較(jiao)為顯著的(de)(de)變(bian)(bian)化（圖5）。

　　圖5脂基(ji)MM處(chu)理單層心(xin)肌組(zu)織和MPS后(hou)的基(ji)因(yin)表達分析

　　從上述結(jie)果(guo)(guo)不(bu)難發(fa)現(xian)，MM的(de)(de)處理在WTC和(he)SCVI20來源(yuan)心肌(ji)(ji)(ji)MPS中產生(sheng)了(le)對(dui)(dui)APD相反的(de)(de)影(ying)響，但(dan)其最終結(jie)果(guo)(guo)是使(shi)兩(liang)者(zhe)的(de)(de)APD和(he)鈣(gai)調控行為都(dou)接近于原代生(sheng)理組(zu)(zu)織(zhi)。當然，這并不(bu)意(yi)味著兩(liang)類心肌(ji)(ji)(ji)細(xi)胞(bao)(bao)(bao)內(nei)的(de)(de)電(dian)流值(zhi)相近，而電(dian)流值(zhi)又(you)直接影(ying)響了(le)心肌(ji)(ji)(ji)組(zu)(zu)織(zhi)的(de)(de)藥學響應(ying)等，因而對(dui)(dui)細(xi)胞(bao)(bao)(bao)內(nei)電(dian)流的(de)(de)測定是一個(ge)不(bu)可忽視的(de)(de)問題。受限(xian)于活細(xi)胞(bao)(bao)(bao)很難從心肌(ji)(ji)(ji)MPS中取(qu)出的(de)(de)問題，研究者(zhe)創造性地采用了(le)計算模擬(ni)的(de)(de)方式：由APD和(he)鈣(gai)離子變化的(de)(de)數據(ju)來推(tui)算細(xi)胞(bao)(bao)(bao)內(nei)的(de)(de)電(dian)流值(zhi)。模擬(ni)預(yu)測的(de)(de)結(jie)果(guo)(guo)表明(ming)，MM的(de)(de)處理對(dui)(dui)WTC和(he)SCVI20心肌(ji)(ji)(ji)組(zu)(zu)織(zhi)中動作電(dian)位(wei)的(de)(de)改變和(he)鈣(gai)調控影(ying)響的(de)(de)數值(zhi)不(bu)同(tong)，但(dan)兩(liang)種來源(yuan)細(xi)胞(bao)(bao)(bao)的(de)(de)成熟(shu)表型(xing)卻(que)非常(chang)相似。

　　圖6單一電(dian)流和鈣(gai)離子調控對單層心肌組織和MPS動(dong)作電(dian)位影響的數(shu)學模型

　　最后，研究者將不(bu)(bu)同(tong)來源的(de)心(xin)肌(ji)微生理系(xi)統(tong)用(yong)(yong)于藥(yao)(yao)效學研究，以證明該體外模型的(de)實用(yong)(yong)價(jia)值。文中選用(yong)(yong)了維拉帕(pa)(pa)米(mi)（Verapamil）、氟卡尼(ni)（Flecainide）和阿夫唑嗪(qin)（Alfuzosin）等幾(ji)類可改善心(xin)律不(bu)(bu)齊的(de)臨床藥(yao)(yao)物(wu)進行測試。結果表明，盡管WTC和SCVI20心(xin)肌(ji)組織(zhi)對不(bu)(bu)同(tong)藥(yao)(yao)物(wu)的(de)具體反應不(bu)(bu)同(tong)，但總體上(shang)，在(zai)心(xin)肌(ji)MPS中使用(yong)(yong)MM培(pei)養的(de)組織(zhi)，能有效減(jian)少假(jia)陽性(維拉帕(pa)(pa)米(mi))和假(jia)陰性(阿夫唑嗪(qin))藥(yao)(yao)物(wu)反應的(de)預(yu)估（圖7）。這進一步證明了該成熟化的(de)微生理系(xi)統(tong)在(zai)藥(yao)(yao)物(wu)評價(jia)和預(yu)測方(fang)面(mian)的(de)優勢。

　　圖7成熟的WTC心(xin)肌MPS中(zhong)抗心(xin)律失常藥的藥理學研究

　　總(zong)而(er)言之，本(ben)文證明了(le)在MPS中使用(yong)基(ji)(ji)于(yu)脂肪(fang)酸(suan)的(de)(de)(de)培養(yang)基(ji)(ji)進(jin)(jin)行干細胞來(lai)源心肌(ji)組織(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)3D培養(yang)，可以(yi)有效促進(jin)(jin)hiPSC-CM動(dong)作電位的(de)(de)(de)成(cheng)熟(shu)。且(qie)所(suo)得心肌(ji)組織(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)APD和(he)鈣(gai)瞬變(bian)行為(wei)(wei)會更接近于(yu)原代生(sheng)理(li)組織(zhi)(zhi)。同(tong)時，這(zhe)種(zhong)變(bian)化是可以(yi)經過一定的(de)(de)(de)理(li)論模擬(ni)來(lai)進(jin)(jin)行判(pan)定和(he)預測。而(er)這(zhe)種(zhong)較(jiao)為(wei)(wei)成(cheng)熟(shu)的(de)(de)(de)心肌(ji)組織(zhi)(zhi)也(ye)有望為(wei)(wei)相關治療(liao)藥(yao)物(wu)的(de)(de)(de)研發和(he)藥(yao)物(wu)安全(quan)性測試提供更好的(de)(de)(de)先(xian)決(jue)條(tiao)件。

　　ATA-2082高壓放大器

　　帶寬(kuan)：（-3dB）DC~200kHz

　　電壓：800Vp-p（±400Vp）

　　電流：40mAp

　　功率：16Wp

　　壓擺率：≥356V/μs

　　可程控

西安安泰電子是專(zhuan)業(ye)從事功率放大器、高壓放大器(qi)、功(gong)率信號源、前置微小信號放大器、高(gao)精度(du)電壓(ya)源、高(gao)精度(du)電流源等電子測量(liang)儀器研(yan)發、生產(chan)和銷售的(de)(de)高(gao)科技企業，為(wei)用戶(hu)提供具有競爭(zheng)力(li)的(de)(de)測試方案(an)。Aigtek已經成為(wei)在業界擁有廣泛產(chan)品線，且具有相當(dang)規模的(de)(de)儀器設備供應(ying)商，樣機都支持免費試用。如(ru)想了解更多功(gong)率放大(da)器等產(chan)品，請持續關注安(an)泰電子官網hkdyw.cn或撥打029-88865020。