供稿人:韓康 賀健康 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2020-12-06
心肌組織微環(huán)境在指導(dǎo)心肌細胞的功能和命運方面起著決定性的作用，模擬這種細胞外微環(huán)境為心肌組織再生提供了廣闊前景。目前，已有眾多研究者利用含有不同類型導(dǎo)電納米粒子的復(fù)合水凝膠構(gòu)建了具有優(yōu)異機械完整性和改善電生理特性的工程心肌組織。然而，還沒有人試圖直接比較這些復(fù)合水凝膠的功效，并破譯這些復(fù)合水凝膠調(diào)節(jié)心肌細胞行為的機制。加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的Ali Khademhosseini教授團隊制備了含三種不同類型的碳基納米顆粒：碳納米管（CNT），氧化石墨烯（GO）和還原GO（rGO）的明膠甲基丙烯酰（GelMA）水凝膠，以研究這些復(fù)合支架對心肌細胞結(jié)構(gòu)組織和功能的影響。
功能碳基納米顆粒(CBNs)具有可調(diào)的機械、結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能，在許多生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是心肌組織工程領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。為了解不同CBNs的物理特性如何調(diào)節(jié)復(fù)合支架上的心肌細胞行為的潛在機制，Ali Khademhosseini教授團隊制備了CNT-，GO-和rGO-GelMA（濃度為0.3%/ 7%（w / v））混合水凝膠（圖1A）。碳納米管的透射電子顯微鏡（TEM）圖像以及GO和rGO的原子力顯微鏡（AFM）圖像顯示：1. CNT纖維直徑范圍為15至45 nm（圖1B），2.超聲處理的rGO片與GO片相比尺寸稍小，但形狀相似；3.GO和rGO板的尺寸不均勻（圖1C，D）。GO和rGO薄片的厚度分別為~1.1和~8.4nm，表明還原步驟的單個薄片之間的相互作用導(dǎo)致了rGO的多層堆疊。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示了復(fù)合支架的孔形貌（圖1E-G）。無論CBN類型如何，孔壁均光滑，表明CBN在GelMA復(fù)合材料內(nèi)部分布均勻。
圖1 CNT-，GO-和rGO-GelMA的結(jié)構(gòu)特性。（A）CNT-，GO-和rGO-GelMA復(fù)合水凝膠的制備程序。（B）CNT的TEM圖像。（C）GO和（D）rGO的AFM圖像。（C）和（D）中的插圖圖像沿每個圖像中的指定線顯示高度輪廓。SEM圖像顯示（E）CNT-，（F）GO-和（G）rGO-GelMA薄膜的多孔表面
心臟中主要有三種類型的心肌細胞，即淋巴結(jié)/起搏器，心房和心室肌細胞。分辨這些細胞類型對于心臟評估，細胞治療和藥物開發(fā)具有重要意義。心房和心室肌細胞產(chǎn)生一次跳動分為五個階段（圖2A），它們是快速去極化（階段0），部分復(fù)極化（階段1），平穩(wěn)階段（階段2），另一個復(fù)極化（階段3）和真實靜息膜電位（階段4）。由于心室肌細胞Ca2+內(nèi)流和K+外流較慢，心室動作電位在第2階段顯示出更長的持續(xù)時間和更高的平臺電位。測量了不同條件下的動作電位，結(jié)果顯示在CNT-GelMA上成熟的心肌細胞表現(xiàn)出明顯快速的上沖速度(約3.8 V/s)和較長的動作電位周期，分別為50% (APD50:動作電位持續(xù)時間為振幅的50%，約0.62 s)和90% (APD90:動作電位持續(xù)時間為振幅的90%，約為0.81 s，而GO-和rGO-GelMA的細胞表現(xiàn)出較慢的上沖速度(GO- GelMA的平均值為0.62倍，GO- GelMA的平均值為0.39倍)和較短的持續(xù)時間(APD50: ~ 0.58 s和~ 0.45 s, APD90: ~ 0.77 s和~ 0.73 s)（圖2B-E）。根據(jù)階段2的持續(xù)時間和動作電位平臺，在CNT-GelMA和GO-GelMA上培養(yǎng)的心肌細胞分別最接近心室肌細胞和心房肌細胞。有趣的是，在rGO-GelMA上培養(yǎng)的心肌細胞在心室和心房表型之間表現(xiàn)出中間特征。這些發(fā)現(xiàn)表明復(fù)合支架中CBNs的不同特性可能在指導(dǎo)心肌細胞命運決定中起重要作用。碳納米管顯示出更高的電導(dǎo)率，類似天然ECM的納米纖維結(jié)構(gòu)且孔徑較小，并且與天然心臟組織的機械性能更接近，從而使心肌細胞具有更好的形態(tài)并表達更高水平的心臟標志物，從而使細胞更像心室肌細胞體外表型。
圖2 通過電生理特性確定混合支架上工程心臟組織的表型。（A）示意圖，表示具有向內(nèi)和向外離子電流的心室動作電位的不同階段。在（B）CNT-，（C）GO-和（D）rGO-GelMA上培養(yǎng)5天的心肌細胞的動作電位。（E）顯示通過CNT，GO和rGO鏈接傳播電信號的示意圖
這項工作表明，在不同復(fù)合支架上培養(yǎng)的心肌細胞對功能成熟的細胞外指導(dǎo)具有明顯的敏感性，這突顯了高保真度的心肌細胞表型對心肌組織工程模型系統(tǒng)的重要性。