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【论文故事】给受损的心脏打个“补丁”

几十年来,科学家和医生们在心脏疾病的治疗方面已经取得了飞跃式的进步,尤其是近年来被称为“心肌补片”的发展。心肌补片是一种片状的工程化心脏组织,能够替换受损的心肌组织,就像给受损的心脏打一个“补丁”。

目前,该领域的研究有了新的突破性进展。哈佛大学化学与化学生物系的查尔斯·利伯教授、博士后戴小川等研究人员在研究中描述了一种纳米尺度的电子支架结构,这种支架能被植入并培养心脏细胞以形成“仿生”心肌补片。该项研究被发表在今年6月27日的自然纳米技术杂志(Nature Nanotechnology)上。

安全又节能

该项研究的关键影响在于能用预制的组织补片替换受损心脏组织,好比给心脏打一个“补丁”。而植入这种仿生补片后,它的作用便类似于起搏器,通过传导电刺激来纠正心率失常,但作用又不尽相同。

传统的心脏起搏器通过脉冲发生器发放由电池提供能量的电脉冲,通过导线电极的传导,刺激电极所接触的心肌,使心脏激动和收缩,从而达到治疗由于某些心律失常所致的心脏功能障碍的目的。图片来源:zhuangshi.hui-chao.com

“与传统起搏器不同的是,仿生补片与组织无缝的融为一体,并且可以时时监测心肌组织的电生理信号。”戴小川说,“因此仿生补片可以检测到心肌组织电生理信号中的不正常部分,并积极地做出反应。”此外,仿生补片所需要的电刺激电压也要比传统起搏器更低,在安全和节能方便有一定的优势。

纳米级的响应速率

这种仿生心肌补片的基础是纳米级的电子支架结构。据戴小川介绍,这种纳米级的组织支架,是模仿传统的心脏组织支架的结构设计而成。与之前的工作相比,这种支架纤维的尺寸降低了一个数量级,弯曲刚度降低了三个数量级,达到了和PLGA(一种美国食品药品监督管理局批准的生物材料)电纺丝材料相似的性质。与此同时,还将大量的传感器融入其中,实现了实时监测和调控的功能。

纳米电子支架示意图,图片来源:www.nature.com

而由于纳米电子器件与生俱来的快速响应,可以轻易达到10微妙级别的时间分辨率,远远超过了三维光学成像技术的速度。“由于这一性质,我们可以检测到一些以前很难看到的快速过程,例如,在药物起效的时候,心肌组织如何响应药物刺激并最终达到稳态,心律不齐发生时的组织电生理信号的一些不稳定活动。甚至在常导致不可逆转的伤害或其他心脏疾病的大范围心率失常发作之前,心肌补片就可以检测到早期的不稳定症状,并更快加以干预。”戴小川解释说。

未来怎么做?

现有的仿生心肌补片还没有在动物中植入过,所以在未来,希望能够将仿生心脏补片移植入动物体内,持续观察植入的心肌组织。这种可以自我监测、自我调节的心脏补片将会在心脏病治疗中创造新的机会,戴小川表示。

此外,戴小川说,“我们希望通过进一步设计纳米电子支架,将其应用拓展到其他组织中去,例如构建三维仿生神经组织,或血脑屏障模型,从而展开新的研究。并且拓展纳米电子支架中的器件类型和功能,例如化学传感器、压力传感器、发光器件等等,都可以实现新的监测和调控手段。这也是非常有意义的。”

(编辑:甘蔗西西、Sol_阳阳)

题图来源:123rf正版图库

参考文献:

  1. Dai X, Zhou W, Gao T, et al. Three-dimensional mapping and regulation of action potential propagation in nanoelectronics-innervated tissues[J]. Nature Nanotechnology, 2016.

The End

发布于2016-08-02, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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梁郡

果壳译者

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