CN107201310A - 载有人心肌细胞的智能心脏模拟芯片及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了载有人心肌细胞的智能心脏模拟芯片及其制备方法与应用。该芯片包括透明树脂立体箱，所述立体箱内设有空腔椭圆球体，所述椭圆球体壁由外壁和内壁组成，所述外壁包埋有气动人造肌肉，所述外壁纵向分为由下往上依次循环收缩的五个气动控制区，每个气动控制区均设有收缩控制导管，所述内壁设有凹槽，所述凹槽内载有人心肌细胞，所述凹槽侧壁上设有微型感受器，所述微型感受器通过无线信号传出，所述椭圆球体下端设有两根输入管道，上端设有两根输出管道。本发明智能芯片构建以微型凹槽和流体培养人心肌细胞的3D微环境，气动人工肌肉技术辅助心肌细胞的收缩，极大促进多功能干细胞诱导心肌细胞的成熟度，实时监控并将数据以无线方式传输给电脑或手机，极大简化生物医学研究和药物功能检测过程。

Description

载有人心肌细胞的智能心脏模拟芯片及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于一种3D细胞培养和监测系统，特别涉及一种载有人心肌细胞的智能心脏模拟芯片及其制备方法与应用。
背景技术
目前，制药公司的药物研发过程耗时长，效率低下。药物的平均开发周期约12年，耗费资金约10亿美元，而且90%的潜在药物未能通过一期临床检验，其中一个重要原因就在于大量临床前研究采用的是动物模型。动物与人类的新陈代谢相差巨大，因此采用人或者自体的模拟器官或类器官用于医学研究和药物筛选将极大提高药物开发的效率。
心脏是机体最重要的器官之一，各类心血管疾病的频发，日益增加对心血管药物和营养成分的需求；同时针对心脏的毒理学测试是药物开发过程中系统毒理测试中的一个重要组成部分。因此，采用人模拟心脏将极大缩短药物开发时间和所需资金，提高药物研发效率。
随着多能干细胞诱导分化人心肌细胞的效率越来越高，由20年前的～5%分化率提高至现在的80～90%（自2012年）。可获得人心肌细胞量的增加促进了该心肌细胞在生物制药和医学研究等方面的应用。但是，由于目前普遍使用的二维培养方法限制了心肌细胞的发育，因此，目前所能获得的心肌细胞类似于胚胎期的心肌细胞，在结构和功能上均不成熟，与人成体心肌细胞差别较大。其不成熟的主要原因之一是二维的培养环境不能提供体内三维立体环境所提供的物理信号。构建三维立体培养环境促进心肌细胞发育成熟是目前该领域亟待解决的问题。
构建三维模拟心脏和类心脏，将日益促进该细胞、以及相应的模拟心脏和类心脏在医学研究以及制药方面的应用。 而目前采用人心肌细胞构建的模拟心脏尚未被开发。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种载有人心肌细胞的智能心脏模拟芯片及其制备方法与应用，该芯片结构简单，模拟真实性强，为人心肌细胞在医学研究、新药开发、毒理测试等方面提供了可靠的保障。
为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：
载有人心肌细胞的智能心脏模拟芯片，包括透明树脂立体箱，所述立体箱内设有空腔椭圆球体，所述椭圆球体壁由外壁和内壁组成，所述外壁包埋有气动人造肌肉，所述外壁纵向分为由下往上依次循环收缩的五个气动控制区，每个气动控制区均设有收缩控制导管，所述内壁设有凹槽，所述凹槽内载有人心肌细胞，所述凹槽两侧壁上设有微型感受器，所述微型感受器通过无线信号传出，所述椭圆球体下端设有两根输入管道，上端设有两根输出管道。
作为改进的是，所述气动人造肌肉为Mckubben型气动人造肌肉。
作为改进的是，所述外壁和内壁的材料为硅树脂。
作为改进的是，所述凹槽的宽度为10微米，深度为5微米。
作为改进的是，所述凹槽个数均为1500。
上述载有人心肌细胞的智能心脏模拟芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，在多能干细胞分化心肌细胞的第15天时，将所得心肌细胞酶解为单细胞，并制成悬浮液注射浸入智能心脏模拟芯片的椭圆球体空腔，所述椭圆球体的凹槽提前用纤维连接蛋白覆盖；
步骤2，将芯片水平安放在低速旋转器中，使得心肌细胞牢固贴覆在凹槽表面上，再将芯片立起，开启气动功能，使腔体内径由下往上依次减小，该功能循环往复进行，对心肌细胞进行收缩训练，促进心肌细胞在3D微环境中发育成熟，凹槽侧壁中的微型传感器与心肌细胞紧密接触实时监测心肌细胞的膜电位、收缩力和氧耗量，并通过无线传出至手机或电脑终端，直观指示心肌细胞发育情况。
作为改进的是，步骤2中低速旋转器的转速为6rpm，旋转12小时。
上述载有人心肌细胞的智能心脏模拟芯片在医学研究、新药开发或毒理测试上的应用。
疾病的诊断和治疗方法，指以有生命的人体或者动物体为直接实施对象，进行识别、确定或消除病因或病灶的过程。本发明智能心脏模拟芯片构建以微槽和流体培养人心肌细胞的3D微环境，气动人工肌肉技术辅助心肌细胞的收缩，极大促进多功能干细胞诱导心肌细胞的成熟度，实时检测人心肌细胞的动作电位、收缩力、耗氧量等，可用于医学研究和药物筛选，属于实施疾病诊断和治疗方法的装置。因此，属于发明专利的保护客体。
有益效果：
与现有技术相比，本发明智能心脏模拟芯片的优点在于：
1、本发明智能芯片构建以微槽和流体培养人心肌细胞的3D微环境，气动人工肌肉技术辅助心肌细胞的收缩，极大促进多功能干细胞诱导心肌细胞的成熟度，实验表明通过血液单核转化人工诱导多能干细胞的成功率为100%，多能干细胞分化为心肌细胞的效率为75-95%；
2、本发明通过微型感受器检测人心肌细胞的动作电位、收缩力、耗氧量等，实时监控，并将数据以无线方式传输给电脑或手机，极大简化生物医学研究和药物功能检测过程，并大大增加药物测试的准确度；
3、本发明芯片设有外部导管，方便将心脏模拟芯片与其他器官芯片相连接，构成系统性的智能人体芯片。
附图说明
图1为本发明心脏智能芯片的纵向剖面图，其中6-内壁，7-凹槽，8-凹槽侧壁，9-微型感受器，10-人心肌细胞悬浮液，11-人心肌细胞；
图2为本发明心脏智能芯片的工作流程图；
图3为本发明心脏智能芯片椭圆球体的横向剖面图，其中，12-外壁，（a）椭圆球体壁的侧视图，（b）为凹槽内心肌细胞的荧光光谱图；
图4为不同培养环境下心肌细胞结构图，（a）二维培养环境下心肌细胞，（b）本发明三维培养环境下心肌细胞；
图5为不同培养环境下心肌细胞的动作电位图，（a）二维培养环境下心肌细胞，（b）本发明三维培养环境下心肌细胞。
具体实施方式
实施例1
载有人心肌细胞的智能心脏模拟芯片，包括透明树脂立体箱，所述立体箱内设有空腔椭圆球体，即模拟人胚胎期心脏的立体结构，所述椭圆球体壁由外壁和内壁组成，所述外壁包埋有Mckubben型气动人造肌肉，即模拟人心室肌的工作方式，所述外壁横向分为五个气动控制区，每个气动控制区均设有收缩控制导管，所述内壁设有个数均为1500个的凹槽，其中凹槽的宽度为10微米，深度为5微米，所述凹槽内载有人心肌细胞，所述凹槽侧壁上设有微型感受器，所述微型感受器通过无线信号传出，所述椭圆球体下端设有两根输入管道，上端设有两根输出管道，
所述外壁和内壁的材料为硅树脂。
本发明智能心脏模拟芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，在多能干细胞分化心肌细胞的第15天时，将所得心肌细胞酶解为单细胞，并制成悬浮液注射浸入智能心脏模拟芯片的椭圆球体空腔，所述椭圆球体的凹槽提前用纤维连接蛋白覆盖；
步骤2，将芯片水平安放在低速旋转器中，旋转12小时，使得心肌细胞牢固贴覆在凹槽表面上，再将芯片立起，开启气动功能，使腔体内径由下往上依次减小，该动作循环往复进行,对心肌细胞进行收缩训练，促进心肌细胞在3D微环境中发育成熟，凹槽侧壁中的微型传感器与心肌细胞紧密接触实时监测心肌细胞的膜电位、收缩力和氧耗量，并通过无线传出至手机或电脑终端，直观指示心肌细胞发育情况。
实施例2
检测实施例1的芯片中心肌细胞的生长情况进，如图4和图5中所示，从图中直观地反应出本发明芯片中心肌细胞的成熟度逐渐增加，且通过血液单核转化人工诱导多能干细胞的成功率为100%，多能干细胞分化为心肌细胞的效率为75-95%。另外，本发明通过将心肌细胞的移植到凹槽中培养，借助凹槽侧壁上的微型感受器很准确地反应心肌细胞的相关参数，能够准确指示药物对心脏的效果。
以上结合附图对本发明的具体实施操作做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.载有人心肌细胞的智能心脏模拟芯片，其特征在于，包括透明树脂立体箱，所述立体箱内设有空腔椭圆球体，所述椭圆球体壁由外壁和内壁组成，所述外壁包埋有气动人造肌肉，所述外壁分为由下往上依次循环收缩的五个气动控制区，每个气动控制区均设有收缩控制导管，所述内壁设有凹槽，所述凹槽内载有人心肌细胞，所述凹槽侧壁上设有微型感受器，所述微型感受器通过无线信号传出，所述椭圆球体下端设有两根输入管道，上端设有两根输出管道。
2.根据权利要求1所述的载有人心肌细胞的智能心脏模拟芯片，其特征在于，所述气动人造肌肉为Mckubben型气动人造肌肉。
3.根据权利要求1所述的载有人心肌细胞的智能心脏模拟芯片，其特征在于，所述外壁和内壁的材料为硅树脂。
4.根据权利要求1所述的载有人心肌细胞的智能心脏模拟芯片，其特征在于，所述凹槽的宽度为10微米，深度为5微米。
5.根据权利要求1所述的载有人心肌细胞的智能心脏模拟芯片，其特征在于，所述凹槽个数均为1500。
6.基于权利要求1-5任一载有人心肌细胞的智能心脏模拟芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在多能干细胞分化心肌细胞的第15天时，将所得心肌细胞酶解为单细胞，并制成悬浮液注射浸入智能心脏模拟芯片的椭圆球体空腔，所述椭圆球体的凹槽提前用纤维连接蛋白覆盖；步骤2，将芯片水平安放在低速旋转器中，使得心肌细胞牢固贴覆在凹槽表面上，再将芯片立起，开启气动功能，使腔体内径由下往上依次减小，该功能循环往复进行，对心肌细胞进行收缩训练，促进心肌细胞在3D微环境中发育成熟，凹槽侧壁中的微型传感器与心肌细胞紧密接触实时监测心肌细胞的膜电位、收缩力和氧耗量，并通过无线传出至手机或电脑终端，直观指示心肌细胞发育情况。
7.根据权利要求6所述的载有人心肌细胞的智能心脏模拟芯片的制备方法，其特征在于，步骤2中低速旋转器的转速为6rpm，旋转12小时。
8.基于权利要求1-5任一载有人心肌细胞的智能心脏模拟芯片在医学研究、新药开发或毒理测试上的应用。
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