CN108373974A - 用于三维培养细胞和原位实时监测心肌组织的芯片装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于三维培养细胞和原位实时监测心肌组织的芯片装置，属于器官芯片技术领域，包括PDMS基底，在PDMS基底上间隔设置两个用于培养心肌细胞的细胞培养腔室，在细胞培养腔室中均对应设有生物电极，两个细胞培养腔室相互连通；生物电极分别通过电信号的输入或输出将芯片与外部的电刺激装置或电信号采集装置相连，对心肌组织进行电刺激或心肌组织电信号的实时采集。本发明的心肌细胞接种在培养腔室内，可以生长并锚定在两个电极柱上，实现心肌细胞的体外三维培养，从而利用两个电极对心肌进行电生理信号的采集与电刺激实验等，进而可进行药物筛选、环境毒物评价等应用。

Description

用于三维培养细胞和原位实时监测心肌组织的芯片装置及其 应用
技术领域
本发明属于器官芯片技术领域，具体涉及用于三维培养细胞和原位实时监测心肌组织的芯片装置及其应用。
背景技术
心脏是人体内最重要的器官之一，它的作用是向全身器官推动血液、供给氧气和营养物质并带走代谢终产物，维持人体各个部分的正常代谢和功能。虽然现代医学在心脏研究上有很大的进步，但心脏病仍然是目前引起人死亡的主要疾病之一。
在体外建立心脏模型为系统研究心脏病的治疗提供了一种简便的方案。仿生的心肌模型可应用于相关心脏病治疗药物的研发，实时观测药物对心肌组织的影响。“心脏芯片”就是基于此提出的针对心脏疾病研究的一个方向，其目标是利用先进的微加工技术、干细胞技术、生物材料技术、组织工程技术和电子信息技术，在芯片上培养具有与体内心肌组织在结构及生理功能方面高度相似的人体“微心脏”，通过芯片观测心肌的电生理参数，并评价药物的疗效和安全性。
越来越多的研究组进行多功能心脏芯片的研究，并成功监测了心肌的生理和功能参数，包括心肌搏动速率，搏动力大小(与收缩压和舒张压有关)，电传导速率等。通过这些电生理参数，以此评价体外建立的心肌模型与体内心脏的类似度。同时在新药研发过程中，可以通过监测这些电生理参数的变化，反映药物的疗效或心肌毒性等。而目前大部分的芯片模型都是通过显微镜观察来评估心肌细胞的收缩性，以图片或视频的方式来记录心肌组织的电生理参数。
然而，这种光学监测的方式需要将整个装置从恒温培养箱中拿出来，用显微镜进行“间接”地观测与记录，无法长时间监测心肌组织的实时动态变化，长时间观察会对心肌有一定的损伤。因此这限制了在药物筛选过程中，长期实时监测药物对心肌组织的影响等，而且在体外原位“直接”地监测心肌组织的动态变化也很重要。所以设计心脏芯片时，需要添加具有原位实时监测功能的生物电极。除具有生物检测传感功能外，生物电极的电刺激功能也很重要。
很多研究表明，电刺激可以诱导心肌细胞发育为成熟的心肌细胞，促进细胞排列的定向性，增强心肌的同步搏动等。因此，心肌芯片需具有多功能性，一方面要适于心肌组织三维的生长和成熟，另一方面还需要有原位实时监测心肌电生理的功能。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明提供用于三维培养细胞和原位实时监测心肌组织的芯片装置，能够显著促进心肌组织三维生长和成熟，并通过芯片原位实时监测心肌的电生理参数；本发明的另一目的在于提供用于三维培养细胞和原位实时监测心肌组织的芯片装置的应用。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
用于三维培养细胞和原位实时监测心肌组织的芯片装置，包括PDMS基底，在所述的PDMS基底上间隔设置两个用于培养心肌细胞的细胞培养腔室，在细胞培养腔室中均对应设有生物电极，所述的两个细胞培养腔室相互连通；所述的生物电极分别通过电信号的输入或输出将芯片与外部的电刺激装置或电信号采集装置相连，对心肌组织进行电刺激或心肌组织电信号的实时采集。
所述细胞培养腔室的形状为哑铃状，细胞培养腔室的总长为8mm。
所述的两个细胞培养腔室通过中间细胞生长的通道连通，该通道的宽度为0.5mm，高度为1mm。
为培养三维的心肌组织，在细胞培养腔室中接种的细胞数量范围为1.5×106-2.5×106。
所述生物电极的形状为圆柱体，生物电极高度为1mm，两个生物电极柱间的距离为6mm，所选用材料为铂-PDMS复合物，其中铂含量的体积分数为16％-22％。
所述电信号的输入或输出通过导线将该芯片装置与外部的电刺激装置或电信号采集装置相连。
所述的用于三维培养细胞和原位实时监测心肌组织的芯片装置在心肌细胞的体外三维培养及药物筛选和环境毒物评价的应用。
所述心肌细胞选自大鼠来源的心肌细胞、小鼠来源的心肌细胞和人类多能干细胞来源的心肌细胞。
发明原理：心肌细胞接种在哑铃状的腔室中，生长并锚定在两根生物电极柱上形成有功能的心肌组织；将芯片装置与外部的电刺激装置或电信号采集装置相连。基于此心肌芯片装置可长时间原位监测心肌组织的电生理信号，并可对心肌进行电刺激，进一步进行药物筛选、环境毒物评价等应用。
有益效果：与现有技术相比，本发明的心肌细胞接种在培养腔室内，可以生长并锚定在两个电极柱上，实现心肌细胞的体外三维培养，从而利用两个电极对心肌进行电生理信号的采集与电刺激实验等，进而可进行药物筛选、环境毒物评价等应用。
附图说明
图1是用于三维培养细胞和原位实时监测心肌组织的芯片装置的结构示意图；
图2是芯片上三维培养的心肌组织表征图；
图3为添加100nM异丙肾上腺素对心肌组织搏动的影响。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步说明。
如图所示，图1中标注分别为PDMS基底1、细胞培养腔室2、生物电极3、电信号的输入或输出4、药物或环境毒物添加应用5。图2中，对(A)Cx43(绿色，蓝色为细胞核)和(B)cTnT(绿色，蓝色为细胞核)进行免疫荧光染色，得到心肌微组织的三维结构图。
用于三维培养细胞和原位实时监测心肌组织的芯片装置包括：PDMS基底1、细胞培养腔室2、生物电极3、电信号的输入或输出4。
生物电极3嵌入在PDMS基底内，电极高度为1mm，两个电极柱间的距离为6mm，并位于细胞培养腔室2的两端。细胞培养腔室2用于培养心肌细胞，细胞培养腔室2的总长为8mm，中间是细胞生长的通道，其宽度为0.5mm，高度为1mm，为培养三维的心肌组织，在细胞培养腔室2中接种的细胞数量在1.5×106-2.5×106范围内。
电信号的输入或输出4，将芯片装置与外部的电刺激装置或电信号采集装置相连，进而对心肌组织进行电刺激或心肌组织电信号的实时采集。药物或环境毒物添加应用，可在该芯片装置上对心肌添加不同药物或环境毒物进行药物筛选、环境毒物评价等。
其中根据芯片设计需求，细胞培养腔室的形状为哑铃状，生物电极的形状为圆柱体，所选用材料为铂-PDMS复合物。本发明还提供了心肌芯片装置的应用，用于心肌细胞的体外三维培养，并可进行药物筛选、环境毒物评价等应用。
本发明具体应用的实施例将在下面列出。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1心肌细胞在芯片上三维生长的研究
如图1所示，基底1和细胞培养腔室2的材料为PDMS，培养室2的形状为哑铃状，长度为8mm，中间细胞生长通道的宽度为0.5mm，高度为1mm；生物电极3的材料为铂-PDMS复合物，其中铂含量的体积分数为16％-22％，得到的电极导电性较好(阻抗较小)，对应的，在10Hz时，铂-PDMS复合物的阻抗在16-2KΩ范围内；可在芯片上接种新生大鼠来源的心肌细胞，为培养三维的心肌组织，在培养室中接种的细胞数量在1.5×106-2.5×106范围内，如图2激光共聚焦显微镜(CLSM)拍摄的图片所示，实现了心肌组织在芯片上的三维培养，具体的，对心肌细胞的纤连蛋白(connexin 43，Cx43)和肌钙蛋白(cardiac troponin-T，cTnT)进行免疫荧光染色，使用CLSM进行心肌组织从上到下的层层扫描，得到的3D结构如图2。
实施例2：在芯片上对心肌细胞进行药物筛选的研究
对心肌细胞加异丙肾上腺素进行药物筛选实验，电信号的输出4与电信号采集装置相连接，实时采集加药前后心肌搏动的变化，在芯片上施加100nM的异丙肾上腺素。由图3可以看出加异丙肾上腺素后，细胞搏动一次所需要的时间明显缩短(从0.74s缩短到0.62s)，加药后可促进心肌搏动加快，并且心肌细胞的动作电位变大。这与异丙肾上腺素在临床上促进心脏搏动加快的结果一致。
本实施例具有以下优势：
体外心肌的三维培养还不完善，并且传统的芯片模型都是通过显微镜观察来评估心肌细胞的收缩性，本实例表明，该芯片可以促进心肌组织三维的生长，并且可以在不同药物环境下，原位实时监测心肌的电生理的参数。

Claims (8)

1.用于三维培养细胞和原位实时监测心肌组织的芯片装置，其特征在于：包括PDMS基底(1)，在所述的PDMS基底(1)上间隔设置两个用于培养心肌细胞的细胞培养腔室(2)，在细胞培养腔室(2)中均对应设有生物电极(3)，所述的两个细胞培养腔室(2)相互连通；所述的生物电极(3)分别通过电信号的输入或输出(4)将芯片与外部的电刺激装置或电信号采集装置相连，对心肌组织进行电刺激或心肌组织电信号的实时采集。
2.根据权利要求1所述的用于三维培养细胞和原位实时监测心肌组织的芯片装置，其特征在于：所述细胞培养腔室(2)的形状为哑铃状，细胞培养腔室(2)的总长为8mm。
3.根据权利要求1所述的用于三维培养细胞和原位实时监测心肌组织的芯片装置，其特征在于：所述的两个细胞培养腔室(2)通过中间细胞生长的通道连通，该通道的宽度为0.5mm，高度为1mm。
4.根据权利要求1所述的用于三维培养细胞和原位实时监测心肌组织的芯片装置，其特征在于：为培养三维的心肌组织，在细胞培养腔室(2)中接种的细胞数量范围为1.5×106-2.5×106。
5.根据权利要求1所述的用于三维培养细胞和原位实时监测心肌组织的芯片装置，其特征在于：所述生物电极(3)的形状为圆柱体，生物电极(3)高度为1mm，两个生物电极(3)柱间的距离为6mm，所选用材料为铂-PDMS复合物，其中铂含量的体积分数为16％-22％。
6.根据权利要求1所述的用于三维培养细胞和原位实时监测心肌组织的芯片装置，其特征在于：所述电信号的输入或输出(4)通过导线将该芯片装置与外部的电刺激装置或电信号采集装置相连。
7.权利要求1-6中任意一项所述的用于三维培养细胞和原位实时监测心肌组织的芯片装置在心肌细胞的体外三维培养及药物筛选和环境毒物评价的应用。
8.根据权利要求7所述的用于三维培养细胞和原位实时监测心肌组织的芯片装置的应用，其特征在于：所述心肌细胞选自大鼠来源的心肌细胞、小鼠来源的心肌细胞和人类多能干细胞来源的心肌细胞。
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