哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员表示，现在首次可以监测心肌细胞的功能发育和成熟，心肌细胞负责通过同步电信号调节心跳。使用组织嵌入的纳米电子设备的单细胞水平。
根据他们在《科学进展》中发表的文章“组织嵌入的可拉伸纳米电子学揭示了内皮细胞介导的人类3D心脏微组织的电成熟”，这种灵活且可拉伸的设备可以与活细胞集成以创建“机器人”。
“心脏病干细胞疗法的临床转化需要移植心肌细胞的电整合。电成熟的人类诱导多能干细胞衍生心肌细胞(hiPSC-CM)的产生对于电整合至关重要。在这里，我们发现hiPSC衍生的内皮细胞(hiPSC-EC)促进hiPSC-CM中选定的成熟标记物的表达，”研究人员写道。
“利用组织嵌入的可拉伸网状纳米电子学，我们获得了人体三维(3D)心脏微组织电活动的长期稳定图。结果表明，hiPSC-EC加速了3D心脏微组织中hiPSC-CM的电成熟。基于机器学习的心肌细胞电信号伪时间轨迹推断进一步揭示了发育过程中的电表型转变路径。
单细胞RNA测序
“在电记录数据的指导下，单细胞RNA测序发现hiPSC-EC促进了具有更成熟表型的心肌细胞亚群，并且hiPSC-EC和hiPSC-CM之间的多种配体-受体相互作用上调，揭示了协调的多因素hiPSC-CM电成熟机制。
“总的来说，这些发现表明hiPSC-EC通过多种细胞间途径驱动hiPSC-CM电成熟。
“这些网状纳米电子器件旨在随着生长的组织伸展和移动，可以持续捕获感兴趣的单个干细胞衍生心肌细胞内的长期活动，”该论文的共同高级作者JiaLiu博士说。SEAS生物工程助理教授，领导一个致力于生物电子学的实验室。
刘的团队专门研究纳米电子学工程，以弥合活组织和电子学之间的差距，开发了几种网状微创柔性纳米电子传感器，设计用于嵌入自然组织，而不干扰正常细胞生长或功能。
“大自然向我们展示了3D监测组织的解决方案，”刘说。“我们受到神经管在发育过程中折叠、随着细胞迁移并形成组织体积而拉伸的方式的启发。”
四年前创建的第一个机器人类器官
他的团队于2019年创建了他们的第一个机器人类器官，以测试使用网状纳米电子结构的想法，并且之前已经证明这些类型的柔性纳米电子器件可以安全地植入活体小鼠体内，而不会破坏附近细胞的功能。
在最新的研究中，刘的实验室与哈佛干细胞研究所的理查德·李和他的团队合作，利用纳米电子学来监测干细胞衍生的心肌细胞的电活动。为此，研究人员将细胞培养在由市售细胞基质(称为“Matrigel”)和网状纳米电子传感器(包含柔性微电极网格)制成的薄片上。
在体外实验中使用这些技术，研究小组发现内皮细胞在干细胞衍生的心肌细胞的快速和功能成熟中发挥着先前被低估但至关重要的作用。Liu表示，当在内皮细胞存在的情况下，在3D心脏组织基质中一起培养时，心肌细胞会经历“异常的电成熟”。
在对发育中的类器官进行七周的监测过程中，研究小组观察到靠近内皮细胞会产生直接影响。与远离内皮细胞的心肌细胞相比，在内皮细胞旁边培养的心肌细胞成熟得更快，并且它们还表现出健康心脏组织中常见的电特性。
科学家们表示，这一新见解是工程干细胞衍生心脏组织的一次飞跃。对具有类人心脏的动物进行的临床前研究证明，很难设计和移植干细胞衍生的心肌细胞，使其能够与周围的心脏组织长时间协同跳动。移植到动物心脏中的未成熟心肌细胞往往会自行跳动，这种电失火可能会导致危险的心律不齐。
刘指出，这就是为什么干细胞衍生的心肌细胞与内皮细胞共培养可以产生功能更成熟的心肌细胞这一发现如此重要。
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