心臟也能打“補丁”

梁郡

幾十年來，科學家和醫(yī)生們在心臟疾病的治療方面已經(jīng)取得了飛躍式的進步，尤其是近年來被稱為“心肌補片”的發(fā)展。心肌補片是一種片狀的工程化心臟組織，能夠替換受損的心肌組織，就像給受損的心臟打一個“補丁”。

目前，該領域的研究有了新的突破性進展。哈佛大學化學與化學生物系的查爾斯·利伯教授、博士后戴小川等研究人員在研究中描述了一種納米尺度的電子支架結(jié)構(gòu)，這種支架能被植入并培養(yǎng)心臟細胞以形成“仿生”心肌補片。

安全又節(jié)能

該項研究的關(guān)鍵影響在于能用預制的組織補片替換受損心臟組織，好比給心臟打一個“補丁”。而植入這種仿生補片后，它的作用便類似于起搏器，通過傳導電刺激來糾正心率失常，但作用又不盡相同。

傳統(tǒng)的心臟起搏器通過脈沖發(fā)生器發(fā)放由電池提供能量的電脈沖，通過導線電極的傳導，刺激電極所接觸的心肌，使心臟激動和收縮，從而達到治療由于某些心律失常所致的心臟功能障礙的目的。

“與傳統(tǒng)起搏器不同的是，仿生補片與組織無縫地融為一體，并且可以時時監(jiān)測心肌組織的電生理信號。”戴小川說，“因此仿生補片可以檢測到心肌組織電生理信號中的不正常部分，并積極地做出反應。”此外，仿生補片所需要的電刺激電壓也要比傳統(tǒng)起搏器更低，在安全和節(jié)能方便有一定的優(yōu)勢。

納米級的響應速率

這種仿生心肌補片的基礎是納米級的電子支架結(jié)構(gòu)。據(jù)戴小川介紹，這種納米級的組織支架，是模仿傳統(tǒng)的心臟組織支架的結(jié)構(gòu)設計而成。與之前的工作相比，這種支架纖維的尺寸降低了一個數(shù)量級，彎曲剛度降低了三個數(shù)量級，達到了和PLGA（一種美國食品藥品監(jiān)督管理局批準的生物材料）電紡絲材料相似的性質(zhì)。與此同時，還將大量的傳感器融入其中，實現(xiàn)了實時監(jiān)測和調(diào)控的功能。

而由于納米電子器件與生俱來的快速響應，可以輕易達到10微秒級別的時間分辨率，遠遠超過了三維光學成像技術(shù)的速度。“由于這一性質(zhì)，我們可以檢測到一些以前很難看到的快速過程，例如，在藥物起效的時候，心肌組織如何響應藥物刺激并最終達到穩(wěn)態(tài)，心律不齊發(fā)生時的組織電生理信號的一些不穩(wěn)定活動。甚至在常導致不可逆轉(zhuǎn)的傷害或其他心臟疾病的大范圍心率失常發(fā)作之前，心肌補片就可以檢測到早期的不穩(wěn)定癥狀，并更快加以干預。”戴小川解釋說。

未來怎么做

現(xiàn)有的仿生心肌補片還沒有在動物中植入過，所以在未來，希望能夠?qū)⒎律呐K補片移植入動物體內(nèi)，持續(xù)觀察植入的心肌組織。這種可以自我監(jiān)測、自我調(diào)節(jié)的心臟補片將會在心臟病治療中創(chuàng)造新的機會，戴小川表示。

此外，戴小川說：“我們希望通過進一步設計納米電子支架，將其應用拓展到其他組織中去，例如構(gòu)建三維仿生神經(jīng)組織，或血腦屏障模型，從而展開新的研究。并且拓展納米電子支架中的器件類型和功能，例如化學傳感器、壓力傳感器、發(fā)光器件等，都可以實現(xiàn)新的監(jiān)測和調(diào)控手段。這也是非常有意義的。”