人類微心臟模型助力精細(xì)醫(yī)療與藥物研發(fā)

來(lái)源：發(fā)布時(shí)間：2025-12-02

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心血管疾病是全球致死率居高不下的重大健康威脅，而傳統(tǒng)動(dòng)物模型和二維細(xì)胞培養(yǎng)在藥物研發(fā)中存在預(yù)測(cè)性差、成本高昂等諸多局限。如今，CELLINK 公司借助 BIONOVA X 的創(chuàng)新技術(shù)，成功打造出人類微心臟模型，為精細(xì)醫(yī)療和藥物發(fā)現(xiàn)開(kāi)辟了全新路徑。

思維導(dǎo)圖

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傳統(tǒng)研究模型的困境

長(zhǎng)期以來(lái)，動(dòng)物模型和 2D 細(xì)胞培養(yǎng)是心血管疾病研究與藥物測(cè)試的主要工具，但二者均存在明顯短板。2D 細(xì)胞培養(yǎng)缺乏人體組織的三維微結(jié)構(gòu)，細(xì)胞間通訊和排列方式與體內(nèi)真實(shí)情況差異較大，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以反映人體實(shí)際反應(yīng)；動(dòng)物模型則因物種差異，對(duì)人類藥物反應(yīng)的預(yù)測(cè)價(jià)值有限，據(jù) FDA 數(shù)據(jù)，約 92% 通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的藥物在人體臨床試驗(yàn)中失敗，新藥上市平均成本高達(dá) 10-20 億美元。此外，部分藥物對(duì)不同基因型、種族、性別和年齡群體的效果差異***，傳統(tǒng)模型難以覆蓋這些變量。

創(chuàng)新技術(shù)：3D 生物打印構(gòu)建微心臟模型

CELLINK 團(tuán)隊(duì)采用**數(shù)字光處理（DLP）BIONOVA X生物3D 打印機(jī)，在標(biāo)準(zhǔn)多孔板中直接打印出高精度微柱陣列，再接種人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生心肌細(xì)胞（iPSC-CMs），成功構(gòu)建出 “微柱上的心臟” 模型。

該技術(shù)具有突出優(yōu)勢(shì)：打印速度快，每個(gè)孔中 8 對(duì)微柱可在 30 秒內(nèi)同步完成；分辨率高，能精細(xì)控制微柱尺寸與間距，厚柱尺寸為 135×135μm，薄柱為 60×135μm，高度均為 500μm；兼容性強(qiáng)，可適配 6 孔、12 孔、24 孔等標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)板，無(wú)需轉(zhuǎn)移樣本即可直接成像和檢測(cè)。更重要的是，打印的微柱在 7 天培養(yǎng)期內(nèi)力學(xué)性能穩(wěn)定，彈性模量維持在 4MPa 左右，為心肌組織生長(zhǎng)提供了可靠的支撐環(huán)境。

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關(guān)鍵突破：優(yōu)化心肌組織成熟度與功能

為提升模型的生理相關(guān)性，研究團(tuán)隊(duì)從多方面進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)測(cè)試 100-225μm 不同微柱間距，發(fā)現(xiàn) 225μm 間距時(shí)肌節(jié)排列比較好，32% 的肌節(jié)與收縮力方向夾角在 ±15° 以內(nèi)，49% 在 ±30° 以內(nèi)，且平均肌節(jié)長(zhǎng)度為 1.8±0.6μm，完全處于人類心臟肌節(jié)的正常工作范圍（1.8-2.3μm）。

同時(shí)，結(jié)合 3D 培養(yǎng)與電刺激（0.3Hz，自接種后第 4 天開(kāi)始隔天刺激），***提升了心肌組織的成熟度。與傳統(tǒng)單層培養(yǎng)相比，這種組合方式使肌節(jié)力生成相關(guān)基因（TNNT、MYH6）、縫隙連接基因（CNX43）和鈣離子通道基因（RYR2）的表達(dá)均大幅上調(diào)，讓 iPSC-CMs 衍生組織的功能更接近成熟心肌。

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實(shí)用價(jià)值：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藥物反應(yīng)與收縮力

該微心臟模型可直接在培養(yǎng)板中實(shí)現(xiàn)心肌收縮力的無(wú)接觸實(shí)時(shí)測(cè)量。利用歐拉 - 伯努利梁理論，通過(guò)追蹤薄柱的彎曲位移，即可計(jì)算出心肌組織的收縮力，平均收縮力達(dá) 8.9μN(yùn)，與體積大 6 倍的工程化心肌組織相當(dāng)。

在藥物測(cè)試中，模型表現(xiàn)出良好的響應(yīng)性：經(jīng)奧美沙坦（OM）、左西孟旦（LEVO）和異丙腎上腺素（ISO）處理后，心肌收縮力分別提升 75%、33% 和 27%，驗(yàn)證了其在藥物篩選中的實(shí)用性。這種實(shí)時(shí)可視化的檢測(cè)方式，為藥物療效評(píng)估和心臟毒性檢測(cè)提供了高效工具。

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未來(lái)展望：賦能精細(xì)醫(yī)療與再生醫(yī)學(xué)

該 3D 生物打印微心臟模型的成功構(gòu)建，不僅解決了傳統(tǒng)模型的諸多痛點(diǎn)，還展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。依托 iPSC 技術(shù)，可從特定患者身上獲取細(xì)胞，構(gòu)建個(gè)性化模型，助力罕見(jiàn)病研究和精細(xì)治療方案制定；其高通量特性適合大規(guī)模藥物篩選，能***降低研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期。

未來(lái)，該技術(shù)還可擴(kuò)展到多材料、多細(xì)胞復(fù)雜組織模型的構(gòu)建，與自動(dòng)化液體處理系統(tǒng)、成像系統(tǒng)等集成，進(jìn)一步提升研究效率。此外，該方法還可推廣到肝臟、腎臟等其他組織模型的構(gòu)建，為整個(gè)精細(xì)醫(yī)療和藥物研發(fā)領(lǐng)域帶來(lái)**性變化。

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