科学家打造出能自主跳动的3d“心脏芯片”，可实时追踪心脏细胞活动，为心血管疾病药物筛选和精准治疗打开新路。
心血管疾病是全球头号死因，但我们一直面临一个尴尬问题。想知道某种药物会不会伤害心脏，往往只能通过动物实验，或者在人身上小心试探。真正的人类心脏反应，很难在不冒风险的情况下提前预测。
现在，来自加拿大多家科研机构的团队做出了一种3d“heart on a chip”，简称hoc。它不是比喻，而是一块真正嵌着微型心脏组织的芯片。这块组织会自己跳动，会调动钙离子来启动肌肉收缩，还能像真实心脏一样，对常见药物产生可预测的反应。
最关键的突破在于，它第一次整合了双重感测平台。简单说，就是同时监测“整体层面”和“细胞层面”的活动，而且是实时的。
为什么这点这么重要。很多心血管疾病，其实源头出在心肌细胞，也就是构成心脏肌肉的单个收缩细胞。它们一旦功能失常，整个心脏的泵血效率就会下降，最终可能走向心力衰竭。所以，只看整体收缩强度不够，还必须看到细胞在干什么。
过去的hoc平台，包括研究团队在2024年发表的版本，都缺乏高分辨率的细胞级监测。这一次，他们补上了这个短板。
研究人员从大鼠体内获取心肌细胞和心脏结缔组织细胞，把它们放进富含纤维蛋白和营养物质的凝胶基质中，让细胞在里面生长，然后把这些细胞播种到柔性的硅基微型芯片上。
为了测量宏观力量，他们把工程化的心脏组织夹在两个弹性柱之间。每次跳动，柱子都会轻微变形，变形的幅度就对应整个组织的收缩强度。
与此同时，他们还把柔软的水凝胶微型传感器嵌入组织内部。这些小液滴直径大约50微米，也就是0.002英寸。它们会随着周围细胞产生的机械应力发生形变，从而记录下细胞层面的局部力量变化。
细胞产生的力量，其实决定了心脏组织的命运。包括它如何形成，如何重塑，收缩效率如何变化，伤口如何修复，甚至肿瘤如何进展。这种体外模型让研究者可以在培养皿里模拟病理过程，而不是直接在人身上试错。
为了测试这套系统能不能用于药物筛选，团队选择了两种经典化合物。
第一种是norepinephrine，也叫noradrenaline。它会启动人体的战或逃反应，在医疗中常用来增强心脏活动和维持血压，比如心脏骤停时。
为了验证相反效果，他们还加入了blebbistatin，这是一种抑制肌肉活动的化合物。
结果和预期一致。norepinephrine增强了收缩，blebbistatin则削弱了收缩。芯片心脏不仅能预测心脏收缩力量的变化，还能反映心律的改变。
来自蒙特利尔大学的生物医学工程师Ali Mousavi表示，能够实时观察组织对不同化合物的反应，是临床前开发和转化研究的一大优势。
接下来，团队计划使用真实患者的细胞，构建带有特定疾病特征的心脏组织。包括扩张型心肌病，这是一种常与遗传有关、可能导致心力衰竭的疾病，还有各种心律失常。
如果这条路径走通，未来医生也许可以在给病人开药前，先用病人自己的细胞在芯片上做一轮测试。看看哪种药效果最好，副作用最小，再决定真正的治疗方案。
蒙特利尔大学的机械与生物医学工程师Houman Savoji认为，这让我们离真正的精准医疗更近了一步。不是泛泛而谈的个性化，而是基于每个人细胞真实反应的选择。
把一颗会跳动的“心脏”装进芯片里，本质上是在搭建一个可控的微型生物宇宙。在那里，疾病不再只是统计数字，而是可以被观察、被测量、被推演的动态过程。人类正在学着在实验台上复制生命的节律，然后用理性的工具，去驯服它。
本文译自 ScienceAlert，由 BALI 编辑发布。
