科學(xué)家發(fā)明跳動(dòng)的“芯片心臟”，或有助于對(duì)抗全球首要死因

想象一個(gè)比芝麻粒還要小的心臟組織，在顯微鏡下有節(jié)奏地跳動(dòng)，對(duì)藥物和疾病的反應(yīng)就像真實(shí)的人類(lèi)心臟。

這不是科幻小說(shuō)，而是加拿大研究團(tuán)隊(duì)剛剛實(shí)現(xiàn)的醫(yī)學(xué)突破。這種三維"芯片心臟"系統(tǒng)能夠以細(xì)胞級(jí)別的精度實(shí)時(shí)追蹤心臟組織的活動(dòng)，為全球首要死因心血管疾病的治療打開(kāi)了全新的大門(mén)。這項(xiàng)研究發(fā)表在《納米微小》期刊上，代表了器官芯片技術(shù)向臨床應(yīng)用邁進(jìn)的重要一步。

從全局到局部的感知跨越

傳統(tǒng)的心臟組織工程模型面臨一個(gè)根本性的局限性：它們只能測(cè)量整個(gè)組織層面的收縮力，就像用一個(gè)簡(jiǎn)單的稱(chēng)盤(pán)來(lái)衡量整個(gè)工廠的運(yùn)作一樣。

在之前的研究中，研究人員制造出了“芯片上的心臟”，這是一種使用含有患者自身干細(xì)胞的生物墨水進(jìn)行3D打印的環(huán)狀裝置 。（Véronique Lavoie，圣賈斯汀大學(xué)醫(yī)院）

研究團(tuán)隊(duì)突破了這個(gè)瓶頸。他們?cè)诠こ袒男呐K組織中嵌入了兩種截然不同的傳感系統(tǒng)。首先，他們將心臟組織夾在兩個(gè)柔軟的硅基彈性柱之間，這些支柱會(huì)隨著心臟每次跳動(dòng)而彎曲，其彎曲程度反映了整個(gè)組織的總體收縮強(qiáng)度。更加巧妙的是，他們還在組織內(nèi)部嵌入了數(shù)千個(gè)直徑僅為50微米的微型水凝膠傳感器。

當(dāng)心臟細(xì)胞收縮時(shí)，這些微小的液滴會(huì)發(fā)生形變，就像被千萬(wàn)個(gè)微小的手指同時(shí)擠壓。通過(guò)熒光顯微鏡追蹤這些液滴的變形，科學(xué)家能夠精確計(jì)算出細(xì)胞層面的機(jī)械應(yīng)力。這代表了一個(gè)質(zhì)的飛躍：首次能夠在活細(xì)胞水平上同時(shí)測(cè)量全局和局部的心臟活動(dòng)。

蒙特利爾大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師阿里·穆薩維表示，這使得研究人員能夠在實(shí)時(shí)觀察組織對(duì)不同化合物的反應(yīng)，這對(duì)于臨床前開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。

從死亡原因到精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)工具

為了驗(yàn)證這套系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值，研究人員進(jìn)行了藥物測(cè)試。

體外形成的致密心臟組織懸掛在兩個(gè)柔韌的彈性柱之間，用于測(cè)量工程化心肌的收縮力。(Mousavi 等人，《納米微小》， 2025)

他們使用了兩種截然相反的化合物。第一種是去甲腎上腺素，這是人體中的一種激素，能夠啟動(dòng)"戰(zhàn)斗或逃跑"反應(yīng)，在醫(yī)學(xué)上常用于增強(qiáng)心臟活動(dòng)。令人驚喜的是，當(dāng)他們將這種物質(zhì)添加到芯片心臟組織中時(shí)，收縮力明顯增強(qiáng)，就像給真實(shí)的心臟打了一針強(qiáng)心針。

隨后，他們使用了肌肉活動(dòng)抑制劑去核化肌動(dòng)蛋白，這種物質(zhì)會(huì)使心臟收縮變?nèi)酢ｎA(yù)期的結(jié)果再次出現(xiàn)：心臟的跳動(dòng)變得越來(lái)越緩慢和無(wú)力。這兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)證實(shí)了芯片心臟能夠預(yù)測(cè)真實(shí)心臟對(duì)常見(jiàn)藥物的反應(yīng)。

這意味著什么呢？意味著在給患者用藥之前，醫(yī)生可以用患者自己的細(xì)胞構(gòu)建個(gè)性化的心臟模型，提前測(cè)試哪種藥物最有效。這就是真正的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)。

疾病模型與個(gè)體化治療的前景

研究團(tuán)隊(duì)的下一步計(jì)劃更加雄心勃勃。

他們計(jì)劃利用患有各種心臟疾病患者的細(xì)胞來(lái)構(gòu)建特定疾病的芯片心臟，包括擴(kuò)張型心肌病這種遺傳性疾病，以及各種導(dǎo)致心律不齊的心律失常。通過(guò)這種方式，醫(yī)學(xué)界可以在真實(shí)患者身上嘗試治療之前，在微觀芯片上進(jìn)行充分的測(cè)試。

該項(xiàng)目的資深作者、蒙特利爾大學(xué)的侯曼·薩沃吉總結(jié)道，這項(xiàng)突破讓真正的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)成為現(xiàn)實(shí)。不同患者對(duì)同一種藥物的反應(yīng)可能差異巨大，而傳統(tǒng)的臨床試驗(yàn)無(wú)法預(yù)見(jiàn)這一切。但現(xiàn)在，醫(yī)生可以在每個(gè)患者的細(xì)胞基礎(chǔ)上進(jìn)行藥物篩選，找到對(duì)該個(gè)體最有效的治療方案。

這對(duì)心血管疾病患者意義深遠(yuǎn)。心血管疾病每年奪走數(shù)百萬(wàn)人的生命，而許多治療方法都伴隨著嚴(yán)重的副作用。如果芯片心臟能夠幫助醫(yī)生在用藥前進(jìn)行個(gè)體化的藥物測(cè)試，患者就能避免無(wú)效治療帶來(lái)的痛苦，更快地找到真正有效的方案。

這個(gè)來(lái)自顯微鏡下的小小跳動(dòng)的心臟，正在改寫(xiě)整個(gè)心血管醫(yī)學(xué)的未來(lái)。