东南大学赵远锦团队《Science》子刊：单细胞水平心脏芯片学术资讯

来源：高分子科学前沿

器官芯片是一种仿生人体器官系统。利用该系统，可模拟人体内微环境并形成体外模型，从而实现对器官疾病机理的研究和相关药物的开发与评估，是当前生物医学领域研究中的一个重要方向。心脏是人体最重要的器官，也是循环系统的主要驱动来源。因此，在体外构建心脏器官芯片并进行相关的研究具有重要意义。目前，心脏芯片的研究已经有了较多的研究成果，但是在单细胞水平上对心肌细胞的活性以及力学传感等方面的研究仍然依赖于精密仪器的操作与分析，研究过程复杂且成本高昂，限制了其潜在的临床医学应用。

图1 基于各向异性胶体晶体水凝胶微球的单细胞水平心脏芯片的制备及应用示意图

近日，东南大学赵远锦教授课题组开发出了一种基于各向异性胶体晶体水凝胶微球的单细胞水平心脏芯片 (图1)。各向异性的胶体晶体水凝胶微球在数个心肌细胞的驱动下，可以表现出反射光谱的变化，从而将心肌细胞的力学信号转化为光学信号，实现在单细胞水平上对心肌细胞力学传感的可视化检测。该芯片的操作和分析步骤简单方便，有望推动单细胞水平心肌细胞研究的进一步发展。

图2 各向异性胶体晶体微球的表征及其与均质结构胶体晶体微球的对比

在本研究中，课题组成员首先利用二氧化硅和氧化石墨烯(GO)混合溶液会发生相分离的现象制备出了各向异性的胶体晶体微球。这种各向异性微球的一侧是可以显示出传统胶体晶体结构色的半球结构，而另一侧则含有大量的石墨烯片层，从而表现为扁平形，并具有较强的光吸收作用。因此，相对于传统的胶体晶体微球，这种微球在大多数情况下以具有结构色的部分朝上，并具有耐流体冲击和更窄的半峰宽等优势 (图2)。

接下来，研究人员用具有良好生物相容性的水凝胶反复制这种各向异性微球，得到反结构的各向异性胶体晶体水凝胶微球。将数个小鼠心肌细胞种植到水凝胶微球的结构色一侧后，心肌细胞可以继续生长并恢复自主跳动。心肌细胞在周期性跳动过程中的收缩和舒张带动了水凝胶微球的变形，导致结构色和光子禁带的变化，从而实现在单细胞水平上对心肌细胞力学性能的传感。进一步的研究表明，基于这种直观的颜色或光谱变化，该芯片可以用作心肌药物的评估和筛选。通过水凝胶微球的结构色光谱波峰移动的频率和差值，可以即时得到药物对心肌细胞的作用(图3)。