CN105911096B - 一种可以体外进行药物药理毒理筛查的人工心脏系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可以体外进行药物药理毒理筛查的人工心脏系统，包括：再生心肌组织、心肌组织支持结构、心肌营养液和器皿；其中所述再生心肌组织包括：心肌细胞和胶原，胶原用于形成心肌细胞之间的骨架结构构成，使心肌细胞在其内固定，进而使人工心脏组织可以形成固定形态的三维结构；再生心肌组织固定在心肌组织支持结构上，浸没于陈放在器皿里的心肌营养液中。本发明基于人类多功能干细胞(hPSC)诱导成的体外人类心肌细胞组织，为药物开发提供了人类心脏平台，进而测试药物的毒理和药理作用，降低受试患者的风险及药物研发的成本。此外，本发明专利也可用作临床科研，例如个体化患者的治疗或者建立病人特异性疾病模型，满足个体化医疗的要求。

Description

一种可以体外进行药物药理毒理筛查的人工心脏系统
技术领域
本发明属于生物医学工程领域，特别涉及一种体外的再生人工心脏系统，该系统可以在体外对药物进行药理作用、毒理作用测试。
背景技术
药物研发是一个昂贵漫长的过程，其中毒理筛选等临床前研发非常关键。许多药物有潜在的心脏毒性，现有的体外或动物实验不能完全预测其临床风险，因此造成的临床试验终止或药物退市，给病人带来生命危险，对制药公司造成巨大的损失。主要原因是缺乏能够模拟人类心脏生理药理的模型。欧美药物监管部门也逐渐提高了药物心脏毒理筛选的要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，克服现有的药物筛查系统没有体外人工心脏模型，而不得不使用其它动物细胞进行模拟细胞分子水平机制的研究，提供一种可以体外进行药物药理毒理筛查的人工心脏系统。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种可以体外进行药物药理毒理筛查的人工心脏系统，包括：再生心肌组织、心肌组织支持结构、心肌营养液和器皿；
其中所述再生心肌组织包括：心肌细胞和胶原，所述胶原用于形成心肌细胞之间的骨架结构构成，使心肌细胞在其内固定，进而使人工心脏组织可以形成固定形态的三维结构；
所述心肌组织支持结构，用于人工心脏组织的外部结构支撑；
所述再生心肌组织固定在心肌组织支持结构上，浸没于陈放在器皿里的心肌营养液中。
所述心肌组织支持结构为心肌组织支持杆，采用橡胶材料制成。
所述再生心肌组织采用以下步骤制备而成：将混合有I型胶原、浓缩心肌细胞以及HEPES溶液的混合液，用移液器缓慢导入磨具之内，37℃培养箱存放48小时后，移去磨具，制得心肌组织。
所述I型胶原、浓缩心肌细胞和HEPES溶液的混合体积比为8：1：1，所述浓缩心肌细胞浓度为100000～5000000细胞/毫升。
再生心肌组织用于与药物进行直接反映，对药物药理作用进行评估，其中人类多能干细胞诱导分化的心肌细胞，用于引起心肌组织的正常搏动收缩活动，对药物的药理作用进行体外反应，并用于检测药物的药理毒理作用，主要包含心肌收缩力以及心电信号两大类参数。胶原用于形成心肌细胞之间的骨架结构构成，使心肌细胞在其内固定，进而使人工心脏组织可以形成固定形态的三维结构。
器皿用于承载再生心肌组织，其内可以承载可以浸没再生心肌组织的心肌营养液，即器皿的外周壁高于再生人工心肌组织的水平面。心肌组织支持杆用于再生心肌组织制作时的固定，以及再生心肌组织制备成功后对心脏组织的支持，该心肌组织支持杆采用可单侧可弯曲橡胶材料，用于再生人工心肌组织收缩时，对心肌组织收缩力的评估。
心脏组织是基于再生人类心肌细胞以及生物医学工程体外合成技术，通过对人类心肌细胞与凝胶物质混合后进行3维重构，形成条杆状或者形成需要形状的再生心肌组织。该心肌组织的长度以及直径均可根据实际需要进行调整。心肌组织制备完成在移去磨具后，人工心肌组织的两端便被固定在心肌组织支持杆上，使得人工心脏组织可自由收缩。通过对心肌组织支持杆的被动弯曲幅度，可以评估人工心脏组织的收缩力，从而达到体外评估药物对人类心脏的直接药理、毒理作用。其次，通过非接触性荧光-电学研究，可以评估人工心脏组织在受到电学刺激以及药物作用下的电学活动以及电学信号，直接观察心电活动的重要参数，参数包含动作电位时程、电传导、钙离子活动等。再生心肌组织可以自发收缩搏动，也可以在外界电刺激下进行收缩搏动。自发搏动频率为0.5～1Hz,可接受的外界电刺激频率介于0.5～3Hz之间。因此，该体外人工心脏组织不但可以评估药物对心肌力学的作用，还可以用于评估药物对人类心脏的心电作用。
本发明基于人类多功能干细胞(hPSC)诱导成的体外人类心肌细胞组织，为药物开发提供了人类心脏平台，进而测试药物的毒理和药理作用，降低受试患者的风险及药物研发的成本。此外，本发明专利也可用作临床科研，例如个体化患者的治疗或者建立病人特异性疾病模型，满足个体化医疗的要求。
附图说明
图1是本发明体外人工心脏系统的示意图。
图2是再生人工心肌组织的制作模具示意图。
图3是实施例最后那个再生人工心肌组织电活动传导图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的说明。
图1是体外人工心脏系统的示意图，人工心肌组织为培养在固定器皿1之中的条干状心肌三维结构。2为再生人工心肌组织，3为心肌组织支持杆，用于固定再生人工心肌组织；心肌组织生活在特定的营养液4之中。
在体外，利用人类多能干细胞分化为具有收缩功能的心肌细胞，之后将混合有体积百分数为80％的I型胶原、10％浓缩心肌细胞以及10％HEPES溶液的混合液0.5～1mL，浓缩心肌细胞的浓度在100000～5000000细胞/毫升，用移液器缓慢导入预先做好的磨具(图2)之内(导入时避免气泡的产生)，37℃培养箱存放48小时后，即可移去磨具，心肌组织制备完成。在移去磨具后，人工心脏组织的两端便被固定在心肌组织支持杆上，使得人工心脏组织可自由收缩。通过对，心肌组织支持杆的被动弯曲幅度，可以评估人工心脏组织的收缩力，从而达到体外评估药物对人类心脏的直接药理、毒理作用。其次，通过非接触性荧光-电学研究，可以评估人工心脏组织在受到电学刺激以及药物作用下的电学活动以及电学信号，直接观察心电活动的重要参数，参数包含动作电位时程、电传导、钙离子活动等。图3是心脏电信号传导的等时相图，用以计算心肌传导的速度以及药物对心肌电信号传导速度、幅度的影响，用以影响心电活动的药物的药理毒理筛查。因此，该体外人工心脏组织不但可以评估药物对心肌力学的作用，还可以用于评估药物对人类心脏的心电作用。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制。凡是依据本发明的技术和方法实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术和方法方案的范围内。

Claims (3)

1.一种可以体外进行药物药理毒理筛查的人工心脏系统，其特征在于包括：再生心肌组织、心肌组织支持结构、心肌营养液和器皿；
其中所述再生心肌组织包括：心肌细胞和胶原，所述胶原用于形成心肌细胞之间的骨架结构构成，使心肌细胞在其内固定，进而使人工心脏组织可以形成固定形态的三维结构；
所述心肌组织支持结构，用于人工心脏组织的外部结构支撑；
所述再生心肌组织固定在心肌组织支持结构上，浸没于陈放在器皿里的心肌营养液中；
所述再生心肌组织采用以下步骤制备而成：将混合有I型胶原、浓缩心肌细胞以及HEPES溶液的混合液，用移液器缓慢导入模具之内，37℃培养箱存放48小时后，移去模具，制得心肌组织。
2.根据权利要求1所述的可以体外进行药物药理毒理筛查的人工心脏系统，其特征在于：所述心肌组织支持结构为心肌组织支持杆，采用橡胶材料制成。
3.根据权利要求1所述的可以体外进行药物药理毒理筛查的人工心脏系统，其特征在于：所述I型胶原、浓缩心肌细胞和HEPES溶液的混合体积比为8：1：1，所述浓缩心肌细胞浓度为100000～5000000细胞/毫升。
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