供稿人:韓康 賀健康 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2020-12-06
心肌組織微環(huán)境在指導(dǎo)心肌細(xì)胞的功能和命運(yùn)方面起著決定性的作用，模擬這種細(xì)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(jī)械完整性和改善電生理特性的工程心肌組織。然而，還沒(méi)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(xì)胞行為的機(jī)制。加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的Ali Khademhosseini教授團(tuán)隊(duì)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(duì)心肌細(xì)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(jī)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(xì)胞行為的潛在機(jī)制，Ali Khademhosseini教授團(tuán)隊(duì)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(gè)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(wú)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(gè)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(xì)胞，即淋巴結(jié)/起搏器，心房和心室肌細(xì)胞。分辨這些細(xì)胞類型對(duì)于心臟評(píng)估，細(xì)胞治療和藥物開發(fā)具有重要意義。心房和心室肌細(xì)胞產(chǎn)生一次跳動(dòng)分為五個(gè)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(gè)復(fù)極化（階段3）和真實(shí)靜息膜電位（階段4）。由于心室肌細(xì)胞Ca2+內(nèi)流和K+外流較慢，心室動(dòng)作電位在第2階段顯示出更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間和更高的平臺(tái)電位。測(cè)量了不同條件下的動(dòng)作電位，結(jié)果顯示在CNT-GelMA上成熟的心肌細(xì)胞表現(xiàn)出明顯快速的上沖速度(約3.8 V/s)和較長(zhǎng)的動(dòng)作電位周期，分別為50% (APD50:動(dòng)作電位持續(xù)時(shí)間為振幅的50%，約0.62 s)和90% (APD90:動(dòng)作電位持續(xù)時(shí)間為振幅的90%，約為0.81 s，而GO-和rGO-GelMA的細(xì)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(shí)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(shí)間和動(dòng)作電位平臺(tái)，在CNT-GelMA和GO-GelMA上培養(yǎng)的心肌細(xì)胞分別最接近心室肌細(xì)胞和心房肌細(xì)胞。有趣的是，在rGO-GelMA上培養(yǎng)的心肌細(xì)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(xì)胞命運(yùn)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(jī)械性能更接近，從而使心肌細(xì)胞具有更好的形態(tài)并表達(dá)更高水平的心臟標(biāo)志物，從而使細(xì)胞更像心室肌細(xì)胞體外表型。
圖2 通過(guò)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(dòng)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(xì)胞的動(dòng)作電位。（E）顯示通過(guò)CNT，GO和rGO鏈接傳播電信號(hào)的示意圖
這項(xiàng)工作表明，在不同復(fù)合支架上培養(yǎng)的心肌細(xì)胞對(duì)功能成熟的細(xì)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(xì)胞表型對(duì)心肌組織工程模型系統(tǒng)的重要性。