功率放大器行业案例分享：通过微流控水凝胶微球培养出心脏组织微球
微流控技术是一种通过微小的通道和微型装置对流体进行精确操控和分析的技术。它是现代医学技术发展过程中的一种重要的生物医学工程技术，具有广泛的应用前景和重要性。它在高通量分析、个性化医疗、细胞筛选等方面有着巨大的潜力，Aigtek安泰电子今天就将为大家分享一篇微流控领域研究成果，一起接着往下看吧~
为了满足心脏再生医学的需求，需要在可扩展的悬浮培养系统中对人诱导多能干细胞(hiPSCs)直接进行诱导分化，生成工程心脏组织。来自AuburnUniversity的ElizabethA.Lipke教授团队直接对水凝胶封装的hiPSCs进行诱导分化，制备了功能性心脏组织微球。这种心脏组织微球在生物制造、多孔板药物筛选和基于注射的再生治疗中具有巨大的应用前景
研究者采用改进的微流控技术，通过微流控细胞包封系统快速制备均匀的球形水凝胶。在该系统中，含有细胞的前体水溶液通过微流控装置的顶部入口泵入，矿物油通过装置的底部进口泵入，两个入口水流在装置t形路口汇合。微球通过乳化形成，并通过垂直的出口通道进行光交联，并用培养基进行收集。封装后，hiPSCs密度高且形态完整。每分钟大约生产45个hiPSCs微球，并严格控制尺寸和圆度。hiPSCs微球在心脏分化开始前继续增殖和生长。包封后，细胞首先在原来的水凝胶边界内生长，保持最初的微球直径。通过免疫荧光标记冰冻切片的细胞核，可见整个微球中细胞密度很高。（图1）
图1心脏组织微球的生产
心脏分化开始后，细胞先在微球边界内生长，然后在微球边界外生长，产生密度更大、圆度更小的组织。对于两种不同的hiPSCs，XTT检测结果证实第1天的代谢活性高于第2天。并且活细胞和增殖细胞数量增加。通过对细胞微球分化前和分化过程中的刚度进行评估后发现，该微球为细胞在分化过程中提供了更加生理的微环境。这种暂时的组织硬度增加伴随着细胞形态的变化，从第0天的圆形细胞集落到分化后的伸长细胞，表明心脏分化。（图2）
图2充满细胞的微球生长形成统一的组织
悬浮培养的微球在分化第8天开始自发收缩。从第0天(分化起始），到第12天，心脏分化过程中细胞密度增加。通过心脏标记物、心肌肌钙蛋白T(cTnT)、α-肌动蛋白(αSA)和功能蛋白Cx43的免疫染色，观察整个微球和切片的CM分布和形态。结果发现在心脏分化过程中，多能性基因Oct4的表达下降。从第10天到第30天，心室CM基因MLC2v和心脏基因βMHC的表达显著增加。这些结果与CM发育和成熟过程中的表达模式一致。αMHC的表达从第10天到第20天增加，然后从第20天到第30天下降，此外，第10、20和30天心脏微球的功能间隙连接蛋白Cx43表达相似。（图3）
图33D心脏微球分化使CM产量高，批次间重现性好，基因表达适宜
随着培养时间的延长，包裹细胞的微球分化为成熟的心脏组织。通过对培养一年以上的微球连续冰冻切片的检查，根据αSA阳性表达，心肌细胞存在于整个心脏组织微球中。ECT微球分泌细胞外基质(ECM)，心脏微球切片Masson三色染色显示，从第28天到第98天，整个微球和周围边缘的胶原沉积增加。心脏微球的某些部分含有高度组织结构和排列的细胞，类似天然的心脏组织结构。扫描电镜显示微球表面光滑，显示心脏分化过程中基质的细胞重构。
图4工程心脏组织微球表现出成熟细胞的特征
为了成功地将工程心脏组织应用到再生医学和药物筛选，研究者使用多极阵列(MEA)评估了20天工程心脏微球对药理学刺激的反应以及工程心脏微球对电起搏的反应。结果发现工程心脏能够在MEA和光学测图平台上对药物治疗和电起搏产生适当反应，以及不断增加的收缩和松弛速度，表明在工程心脏组织微球内产生的心肌细胞的功能。
图5微球CMs对药理学和电刺激反应表明功能
综上所述，在本研究中，研究者使用定制的微流控系统将hiPSCs快速封装在PEG-纤维蛋白中，以产生大小和形状均匀的微球，具有高细胞活力，并保持增殖和多能表型。这些hiPSC微球随后分化为具有高CM产量的功能性工程心脏组织微球，对外界电和药理学刺激有适当的反应，并可在长期培养中维持自发收缩。该方法能以自动化和可扩展的方式制造用于临床转化和高通量药物测试应用的工功能化载hiPSCs微球，这对未来的细胞治疗应用是必要的。
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PS：论文原文Engineered cardiac tissue microsphere production through direct differentiation of hydrogel-encapsulated human pluripotent stem cells发表于杂志Biomaterials上。
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