微納米塑料廣泛分布于生態(tài)系統(tǒng)中，目前已成為全球新型污染物。此前研究發(fā)現(xiàn)，人體血液和臟器中均可檢測到微納米塑料，會對人體產(chǎn)生危害。精準(zhǔn)實時地對微納米塑料進入心臟、發(fā)揮毒性的全過程進行可視化追蹤，對于心臟保護具有重要作用。

記者近日從東南大學(xué)獲悉，該校教授梁戈玉、研究員陳早早團隊整合心臟類器官和器官芯片技術(shù)優(yōu)勢，構(gòu)建了心臟類器官芯片，為體外心臟毒性評估提供了新模型。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《美國化學(xué)學(xué)會·納米》。

模擬人體心臟力學(xué)信號

“目前，對于心臟毒理、藥理學(xué)的研究，大多采用動物模型和體外細胞模型等傳統(tǒng)評估模型。隨著相關(guān)研究日益深入，其缺陷也逐漸暴露。”梁戈玉介紹，與人體相比，小鼠等動物模型存在一些關(guān)鍵基因表達、器官功能結(jié)構(gòu)的差異。而單層的體外細胞模型，也難以真實模擬人體內(nèi)復(fù)雜的生理情況。

因此，開發(fā)一種更接近人體心臟的新模型對于心臟疾病研究至關(guān)重要。心臟類器官和器官芯片技術(shù)的誕生為克服現(xiàn)有問題提供了新途徑。心臟類器官是一種通過精細調(diào)控多能干細胞分化而得到的微組織，像是一顆“迷你心臟”。“它在基因組上更接近人體心臟，能有效解決種屬差異的問題。”梁戈玉說，這種“迷你心臟”還具備類似人體心臟的多種細胞類型，能模擬心臟真實的搏動情況，肉眼可見其在體外持續(xù)跳動。

為了更進一步模擬人體心臟中的流體力學(xué)，研究團隊基于前沿醫(yī)工交叉技術(shù)，構(gòu)建了心臟類器官芯片。“這種芯片將心臟類器官裝載其中，為其提供了必要的培養(yǎng)條件。”陳早早介紹，這相當(dāng)于為“迷你心臟”搭建了一個“房子”。在不足巴掌大的“房子”里，該芯片可以提供與人體心臟相似的力學(xué)信號。

研究團隊通過對心臟類器官芯片進行測試發(fā)現(xiàn)，該芯片能夠快速響應(yīng)心臟藥物的刺激，模擬心臟跳動加快、減慢以及心律失常等反應(yīng)，并可再現(xiàn)心肌損傷標(biāo)志物分泌，這些表現(xiàn)與臨床上的心臟反應(yīng)類似。

開展體外心臟毒性測試

在紫外線照射、物理磨損和生物降解等情況下，塑料制品會逐漸分解出微納米塑料。梁戈玉介紹，由于體積小、質(zhì)量輕，微納米塑料容易經(jīng)消化道和呼吸道進入人體，并穿透血管屏障，隨著血液循環(huán)流至各個臟器。

“目前關(guān)于微納米塑料對心臟損傷的研究處于初步階段，包括心臟在病理狀態(tài)下對微納米塑料的易感性等問題仍需探索。”梁戈玉說。

研究團隊利用心臟類器官芯片，在體外實時、可視化地對微納米塑料進入心臟并發(fā)揮毒性的全過程進行了長期追蹤。陳早早介紹，研究團隊選取了短期和長期兩個暴露時長，對納米塑料、微納米塑料誘導(dǎo)的心臟損傷進行動態(tài)觀察，發(fā)現(xiàn)微納米塑料能夠隨著時間的延長和劑量的加大導(dǎo)致心臟結(jié)構(gòu)和功能受損加重。

“轉(zhuǎn)錄組測序分析顯示，氧化應(yīng)激、炎癥應(yīng)答、鈣離子穩(wěn)態(tài)失衡、線粒體損傷在微納米塑料誘導(dǎo)心臟損傷的早期發(fā)揮關(guān)鍵作用，而心臟纖維化是心臟損傷晚期的突出特征。”陳早早說，為了探究微納米塑料對于具有心臟基礎(chǔ)疾病人群的影響，研究團隊還構(gòu)建了心肌梗死的病理模型，發(fā)現(xiàn)心臟在病理狀態(tài)下對于低劑量納米塑料暴露的易感性大大增加。

梁戈玉說，上述研究整合心臟類器官和器官芯片技術(shù)，開發(fā)心臟類器官芯片，并從多個維度驗證其作為體外心臟毒性測試平臺的可靠性。同時，研究聚焦微納米塑料的心臟毒性效應(yīng)及機制，為微納米塑料污染防治提供了理論依據(jù)。