Engineering mechanical-electrical cell microenvironment in myocardium using advanced biomaterials
XU Feng1, 2, ZHANG Xiaohui1, 2, ɛ, , BAO Xuejiao1, 2, ZHAO Guoxu1, 2, LIU Fusheng2, 3, HUANG Guoyou1, 2, LI Yuhui1, 2, LU Tianjian4
1 The Key Laboratory of Biomedical Information Engineering of Ministry of Education, School of Life Science and Technology, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China2 Bioinspired Engineering and Biomechanics Center (BEBC),Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China3 State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures School of Aerospace, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China4 Moe Key Laboratory for Multifunction Materials and Structure,Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China;
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Cardiovascular diseases remain the leading cause of human death worldwide. The development of cardiac tissue engineering has provided a most potential strategy for the treatment of cardiovascular disease through regenerating functional cardiac tissues and restoring dysfunctional myocardium. The occurrence and progress of cardiovascular diseases are closely related to the changes of mechanical and electrical cell microenvironment in native myocardium. In the last decades, with the advances in biomaterials and micro- and nano-fabrication techniques, increasing evidence has demonstrated that the biomimicking of mechanical-electrical cell microenvironment is important for the maturation and functionalization of engineered cardiac tissues for the purpose of myocardium restoration. In this review, we firstly elucidated the biological basis of mechanical properties and electrical signal transmission in native myocardium, including the mechanical and electrical microenvironment in physiological and pathological conditions. Then, we reviewed the current research progress of advanced biomaterials for cardiac tissue engineering applications. Finally, we summarized the development and manipulation of mechanical and electrical microenvironment using advanced biomaterials, and the biological responses of cardiomyocytes and cardiac tissues to the biomimicking mechanical-electrical microenvironment.
材料的选择取决于支架应用目的. 对于生物组织工程支架来说, 具有良好生物降解性和生物相容性的聚合物是优先之选.具体的选择可根据再生组织以及再生所需时间等因素来进一步确定.在组织工程支架制备中, 应用最多的合成材料是聚酯类, 如(Martins et al. 2017)聚丙交酯(poly lactide, PLA)、聚乙交酯(poly glycolyde, PGA)和聚己内酯(poly caprolactone, PCL). 有时, 具有两种或更多种聚合物性质的材料更为有利. 在这些情况下, 共聚物或聚合物的共混物被选择用于制备纳米纤维材料.目前天然材料如蛋白质或多糖因更易于被细胞识别也特别地受到再生医学领域的关注.迄今, 纤维素(cellulose) (Bhandari et al. 2017)、胶原(collagen)(Nune et al. 2017)、天然丝(natural silk) (Wang et al. 2017)、纤维蛋白原(fibrinogen) (Martins et al. 2017)、壳多糖/脱乙酰壳多糖(chitin/chitosan) (Koizumi et al. 2017)、透明质酸(hyaluronicacid) (Fallacara et al. 2017)等均已经被用于制备纳米纤维支架材料.陈焱等利用静电纺丝技术制备纳米级别的PCL纤维和PCL/gelatin复合型纤维支架研究物理微环境对iPSC向心肌细胞分化的影响及其机制.结果显示三维PCL纳米纤维仿生支架不仅可用于iPSC扩增培养, 还可通过其提供的物理生物信号调节细胞内Wnt$/\beta$-catenin信号活性进而促进iPSC向心肌细胞的分化(陈焱 2015).纯的生物纤维材料的电学性能一般较差, 目前研究者将具有高导电性能的添加物用于提高支架的导电性(如图2(d)), 用于构建电学微环境促进心肌组织成熟.
4 基于先进生物材料的心肌细胞力学微环境体外构建
细胞力学微环境的调控对于心肌细胞或组织的生长发育至关重要, 研究者采用不同方法来构建二维(2D)和三维(3D)心肌力学微环境, 进而维持和促进心肌组织表型和功能的成熟(Haggart et al. 2014, Ye et al. 2013, 段翠密等 2006).体外构建力学微环境的方法主要包括材料硬度、静态拉伸、动态拉伸和动态压力(如图3). 构建和调控力学微环境通常有两种机制: (1)调控不同硬度的材料来影响细胞行为; (2)对基底以一定频率进行动态拉伸.这种调控会影响心肌细胞表型、细胞内肌节结构、钙处理以及收缩功能相关的基因和蛋白表达等.
(Duan CM, Chang HX, Guo XM, Zhao YS, He WJ, JiangH, Wang CY.Effects of mechanical stimulation on the structural and functional remodeling of engineered cardiac muscle. Journal of Tissue Engineering and Reconstructive Surgery,2: 12-15 ).
Effects of biomimetic electrical stimulation on inducing differentiation of rat bone marrow mesenchymal stem cells into cardiomyocyte-like cells in isolated myocardium.
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Highly efficient induction and long-term maintenance of multipotent cardiovascular progenitors from human pluripotent stem cells under defined conditions.
Implantation of in vitro tissue engineered muscle repair constructs and bladder acellular matrices partially restore in vivo skeletal muscle function in a rat model of volumetric muscle loss injury.
FerrariniM, ArsicN, Recchia FA, ZentilinL, ZacchignaS, XuX, et al.2006.
Adeno-associated virus-mediated transduction of VEGF165 improves cardiac tissue viability and functional recovery after permanent coronary occlusion in conscious dogs.
Gershlak JR, Resnikoff JI, Sullivan KE, WilliamsC, Wang RM, Black LD.2013.
Mesenchymal stem cells ability to generate traction stress in response to substrate stiffness is modulated by the changing extracellular matrix composition of the heart during development.
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HuynhK, McMullen JR, Julius TL, Tan JW, Love JE, CemerlangN, et al.2010.
Cardiac-specific IGF-1 receptor transgenic expression protects against cardiac fibrosis and diastolic dysfunction in a mouse model of diabetic cardiomyopathy.
A clinical commentary on the articles "strategies for tissue engineering cardiac constructs to affect functional repair following myocardial infarction" and "stem cell-based cardiac tissue engineering": repairing, reprogramming, and renewing: the promise of myocardial cytotherapeutics.
Laminar structure of the heart: ventricular myocyte arrangement and connective tissue architecture in the dog. American Journal of Physiology-Heart and
LuL, MendeM, YangX, Korber HF, Schnittler HJ, WeinertS, et al.2013.
Design and validation of a bioreactor for simulating the cardiac niche: A system incorporating cyclic stretch, electrical stimulation, and constant perfusion.
Induction of atrial natriuretic factor and myosin light chain-2 gene expression in cultured ventricular myocytes by electrical stimulation of contraction.
In cardiomyocyte hypoxia, insulin-like growth factor-I-induced antiapoptotic signaling requires phosphatidylinositol-3-OH- kinase- dependent and mitogen-activated protein kinase-dependent activation of the transcription factor cAMP response element-binding protein.
Heart disease and stroke statistics---2006 update a report from the American Heart Association Statistics Committee and Stroke Statistics Subcommittee.
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Mummery CL, ZhangJ, Ng ES, Elliott DA, Elefanty AG, Kamp TJ.2012.
Differentiation of human embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells to cardiomyocytes: a methods overview.
ERK and p38 MAPK, but not NF-kappaB, are critically involved in reactive oxygen species-mediated induction of IL-6 by angiotensin II in cardiac fibroblasts.
TakahashiN, SekoY, NoiriE, TobeK, KadowakiT, SabeH, et al.1999.
Vascular endothelial growth factor induces activation and subcellular translocation of focal adhesion kinase (p125FAK) in cultured rat cardiac myocytes.
TangY, Hong YZ, Bai HJ, WuQ, Chen CD, Lang JY, Oheler K RB, Yang HT.2016.
Plant homeo domain finger protein 8 regulates mesodermal and cardiac differentiation of embryonic stem cells through mediating the histone demethylation of pmaip1.
Hypoxia enhances cholangiocarcinoma invasion through activation of hepatocyte growth factor receptor and the extracellular signalregulated kinase signaling pathway.
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
中西医结合治疗急性冠脉综合征 (热结血瘀证) 临床观察
1
2014
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
Cardiac resynchronization in chronic heart failure.
1
2002
... 由于二维与三维状态下细胞骨架分布不同, 二维条件下的研究结果并不能很好的适用于三维(Abbott 2003).二维培养时, 通过添加小分子或改变表面涂层增加基底硬度可以增强心肌细胞收缩力.但二维培养系统中, 基质的硬度和孔经大小通常是相互关联的, 很难确定硬度、孔径和配体组织对细胞的单一作用(Chaudhuri & Mooney 2012; Engler et al. 2008, 2004, 2006; Griffin et al. 2004; Holle & Engler 2011; Huebsch et al. 2010; Trappmann et al. 2012; Tse & Engler 2011; Young et al. 2012).而三维培养体系中基底硬度的作用相对均匀, 但由于周围复合物的不断形成、整合素结合、细胞骨架重排以及可用性营养更加复杂的原因, 加大了评估这些参数对细胞特定作用的困难.为更好地控制这些参数以促进工程化组织的成熟, 研究者已开始对体外三维培养系统的构建和调控进行系统研究(Chen et al. 2008, Massai et al. 2013, Rangarajan et al. 2014, Shapira-Schweitzer & Seliktar 2007). 越来越多研究发现, 即使没有加载力学刺激, 三维培养系统下也可促进细胞的排列, 提高心肌功能相关的基因和蛋白的表达(Black et al. 2009, Stoppel et al. 2015), 而这些结果在力学刺激后得到了进一步的改善. ...
Microfluidic heart on a chip for higher throughput pharmacological studies.
1
2013
... 心律不齐是心衰患者的重要特征之一(Abraham et al. 2002).心衰或酸碱平衡失调、电解质紊乱等可致心肌出现电重塑, 主要表现为: 复极离散, 动作电位时程(APD)延长, 各向异性增加和电不稳定性, 心肌易发生折返激动和后除极, 最终心衰症状加重(Knollmann et al. 2000). ...
Rho family small G proteins play critical roles in mechanical stress--induced hypertrophic responses in cardiac myocytes.
2
1999
... 鉴于心血管疾病和各种继发症的患病率上升且死亡率增加的趋势(Control & Prevention 2014, Thom et al. 2006), 目前急需建立体外心脏疾病模型, 从而更好地理解发病机制及其寻找有效的治疗手段.可实现力--电加载的生物反应器为体外构建病理状态下的疾病模型, 模拟疾病状态下的力--电微环境, 甚至为疾病的发展过程提供了可能的研究平台.Morgan等设计反应器可调节力学刺激的强度和时间以及电刺激的频率和时间模拟心脏相关疾病, 进而研究疾病状态下心肌细胞的生物学响应.力--电刺激生物反应器系统可调控力--电刺激的时间, 因此能够模仿发育过程中发生病变心肌细胞和心肌组织.比如主动脉瓣狭窄和心脏衰竭等.主动脉瓣狭窄患者主要是主动脉瓣不完全开放, 即保留左心室收缩功能等容收缩时间下降, 左心室收缩功能发生下降时, 等容收缩时间下降.收缩的延迟可能是由于左心室排出血液长时间通过阻塞的主动脉瓣, 导致的结果后负荷增加和收缩减慢.因此可以通过调节延迟外加力学刺激的时间来模拟这一过程.研究者们开发了一些可以制备高通量、微型的体外心肌组织设备(例如微流体通道、微设备和细胞芯片)用于模拟体内心肌组织功能和测试药物及浓度对心肌组织的影响.在一个研究中, 一种芯片被设计用于高通量分析心肌细胞在不同性能基底(排列)或小分子浓度(异丙肾上腺素)时的响应(Agarwal et al.2013). 这个芯片能够连续测量舒张和收缩应力(Agarwal et al. 2013, Wang et al. 2014). 此心肌芯片设备已经应用于诸多方面, 例如疾病模型的发展(巴氏综合症)和药物筛选(Bhatia & Ingber 2014, Chan et al. 2013, Esch et al. 2014), 未来也可以用于干细胞分化和共培养(Farouz et al. 2015). 最后, 另一个优势是可以在体外研究体内的可变性和不规则性.鉴于心率和舒张压变量在大多个人中是多变的, 未来的工作可了解振幅和速率变化在维持组织功能的作用(Cysarz et al. 2007, Musialik-Lydka et al. 2003). ...
... ). 这个芯片能够连续测量舒张和收缩应力(Agarwal et al. 2013, Wang et al. 2014). 此心肌芯片设备已经应用于诸多方面, 例如疾病模型的发展(巴氏综合症)和药物筛选(Bhatia & Ingber 2014, Chan et al. 2013, Esch et al. 2014), 未来也可以用于干细胞分化和共培养(Farouz et al. 2015). 最后, 另一个优势是可以在体外研究体内的可变性和不规则性.鉴于心率和舒张压变量在大多个人中是多变的, 未来的工作可了解振幅和速率变化在维持组织功能的作用(Cysarz et al. 2007, Musialik-Lydka et al. 2003). ...
Highly elastic and conductive human-based protein hybrid hydrogels.
1
2015
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
Optogenetic control of cardiac function.
1
2010
... 由于细胞之间存在电信号传导与交流, 研究发现电刺激对细胞的影响与细胞微环境的电导率息息相关.大多数传统生物材料导电性较差, 因此近些年新型导电性生物材料得到广泛的开发.一般通过将水凝胶与导电材料(如导电聚合物或低聚物(Mihic et al. 2015)、AuNPs (Dvir et al. 2011)、CNTs (Su et al. 2013)、石墨烯(Annabi et al. 2015))复合来提高水凝胶材料的导电性能如图2(b), 最终用于体外进行电学微环境构建和调控. ...
Stiffness of the substrate influences the phenotype of embryonic chicken cardiac myocytes.
1
2010
... 很多研究者利用疾病模型来研究疾病状态下心肌电学相关蛋白的变化.例如, 研究者以斑马鱼和小鼠作为代表研究了电信号在心脏发育过程中的作用.斑马鱼的心脏由两个心室组成, 但其电信号传导机制与人相似(Arrenberg et al.2010; Chi et al. 2010, 2008; Sedmera et al. 2003; Tu & Chi 2012). 电信号的传播主要通过间隙连接完成, 间隙连接在同步动作电位和调节同步收缩发挥重要作用(Ye & Black 2011). 具体来说, 间隙连接家族中连接素(Cxs)的表达和修饰的错误调节可导致心律失常或胚胎早期死亡(Kumai et al.2000, Seki et al. 2015). 小鼠的心肌细胞表达多种间隙链接蛋白(包括Cx30, Cx30.2, Cx40, Cx43, Cx45和Cx46 (Chi et al. 2010, Gros et al. 2010, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Seki et al. 2015)), 其存在对心脏的正常发育至关重要(Beauchamp et al. 2012, Gros et al. 2010, Kirchhoff et al. 1998, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Reaume et al. 1995), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
The biomechanical integrin.
2
2010
... 除此之外, 研究者还发现二维培养中基底硬度对心肌细胞收缩率、产生的应力和钙处理均有影响(Galie et al.2013, Hazeltine et al. 2012, Rodriguez et al. 2011).Galie等研究发现硬度不仅影响心肌细胞内产生的主动收缩力, 而且会影响收缩应变. 此外, 这些参数短暂的变化表明心肌细胞在体外响应是自适应的, 随时间变化而发生改变. Bajaj等的研究结果与之相似, 将鸡胚心肌细胞接种于层粘连蛋白覆盖的聚丙烯酰胺凝胶, 在最初24 h内基底硬度对心肌细胞搏动的频率产生显著的影响(硬度为18 kPa基底比1 kPa和50 kPa和培养板培养效果好)(Bajaj et al. 2010). 然而, 5 d后心肌细胞反应是不依赖于基底硬度, 这表明心肌细胞黏附, 心肌成纤维细胞的调节功能以及细胞与细胞之间接触可以克服二维体外培养时最初的影响. ...
... 如在前几个小时内心肌细胞收缩的暂时变化可以部分归因于基底本身的黏附水平以及心肌成纤维细胞的重塑.总的来说, 这些结果证明硬度对于心肌细胞成熟起着重要的作用, 它可以在时间上改变生长因子或小分子的递送(Bajaj et al. 2010, Forte et al.2012, Galie et al. 2013, Hazeltine et al. 2012, Rodriguez et al.2011). ...
Determination of cell types and numbers during cardiac development in the neonatal and adult rat and mouse.
1
2007
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
Electric field stimulation integrated into perfusion bioreactor for cardiac tissue engineering.
1
2010
... 心脏是由30% \(\sim\) 40%的心肌细胞和60% \(\sim\) 70%非心肌细胞组成(Banerjee et al. 2007). ...
Electrophysiological and morphological maturation of murine fetal cardiomyocytes during electrical stimulation in vitro.
2
2015
... 在基于各种材料的三维心肌组织构建研究中, 均显示与电刺激相结合有助于干细胞向心肌细胞表型分化, 并改善心肌细胞的功能(Barash et al. 2010; Chiu et al. 2011; Kapur 2011; Maidhof et al. 2012; Park et al. 2014; Pietronave et al. 2013; Tandon et al. 2009, 2011; Wang et al. 2013).大多数用于细胞培养的生物材料并不具有导电性, 因此需要通过外加电刺激实现心肌组织的同步收缩, 也可通过添加导电材料如碳纳米管和石墨烯等提高支架的导电性(Dvir et al. 2011, Martins et al. 2014, Shin et al. 2013, You et al. 2011, Zhou et al. 2014).Radisic等研究了电刺激在心肌组织形成和成熟中的作用, 将心肌细胞和心肌成纤维细胞包埋于胶原中, 培养3 d后连续5 d施加电脉冲刺激(2 ms、5 V/cm、1 Hz)模拟体内心肌的电学微环境(Zhao et al.2016). 施加电刺激后心肌组织的电信号传导和收缩特性有所改善, 不仅提高了MHC、Cx43、肌酸激酶MM和cTnI的表达, 而且心肌细胞收缩力也有显著增强, 收缩频率增加且实现同步收缩(Zhao et al. 2016). 在另一研究中, 通过使用L型钙通道、间隙连接和PI3K通路阻断剂, 确认了功能性间隙连接、细胞骨架和兴奋收缩耦合是实现组织收缩的必要条件(Zhao et al.2016). 此外, 在培养3 d开始刺激, 防止细胞内心肌蛋白的积累, 限制心肌细胞成熟和收缩(Radisic et al. 2007), 建立了精确的控制刺激条件, 并了解了刺激前、刺激时和刺激后心肌细胞表型的变化. 在另一研究中, 三维心肌组织由单层二维细胞层叠而成, 仅一天的电刺激加载就使层与层之间的电导--收缩耦合明显增强(Shimizu et al.2002), 这表明电刺激可促进心肌组织耦合的过程中建立同步收缩. ...
Electrical coupling and propagation in engineered ventricular myocardium with heterogeneous expression of connexin43.
1
2012
... 心肌收缩和动作电位的产生是受到成熟相关的功能蛋白(组织相容性复合物、肌钙蛋白、Cxs)以及离子通道的调控.这些关键蛋白的表达水平不仅受力学转导通路调控, 而且可以通过电刺激来调节.对接种于培养板上细胞施加6 d的电刺激(10 Hz, 1 V, 5 ms), 结果发现细胞排列更加有序且Cx43表达增加, 细胞长径比也增大(Baumgartner et al. 2015).另外还发现人ether-a-go-go基因(HERG)相关的电压门控钾离子通道Kcnh2在施加电刺激时表达上调(Curran et al.1995, Volberg et al. 2002). 上述结果均证明体外施加电刺激对于信号通路的成熟和发育非常重要.因此, 电刺激可以提高心肌细胞成熟, 刺激的频率和电压大小的不同也同样影响心肌细胞的行为. ...
Molecular distinction between physiological and pathological cardiac hypertrophy: Experimental findings and therapeutic strategies.
1
2010
... 很多研究者利用疾病模型来研究疾病状态下心肌电学相关蛋白的变化.例如, 研究者以斑马鱼和小鼠作为代表研究了电信号在心脏发育过程中的作用.斑马鱼的心脏由两个心室组成, 但其电信号传导机制与人相似(Arrenberg et al.2010; Chi et al. 2010, 2008; Sedmera et al. 2003; Tu & Chi 2012). 电信号的传播主要通过间隙连接完成, 间隙连接在同步动作电位和调节同步收缩发挥重要作用(Ye & Black 2011). 具体来说, 间隙连接家族中连接素(Cxs)的表达和修饰的错误调节可导致心律失常或胚胎早期死亡(Kumai et al.2000, Seki et al. 2015). 小鼠的心肌细胞表达多种间隙链接蛋白(包括Cx30, Cx30.2, Cx40, Cx43, Cx45和Cx46 (Chi et al. 2010, Gros et al. 2010, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Seki et al. 2015)), 其存在对心脏的正常发育至关重要(Beauchamp et al. 2012, Gros et al. 2010, Kirchhoff et al. 1998, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Reaume et al. 1995), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
Cardiac mechanosensitivity and stretch-activated ion channels.
... 材料的选择取决于支架应用目的. 对于生物组织工程支架来说, 具有良好生物降解性和生物相容性的聚合物是优先之选.具体的选择可根据再生组织以及再生所需时间等因素来进一步确定.在组织工程支架制备中, 应用最多的合成材料是聚酯类, 如(Martins et al. 2017)聚丙交酯(poly lactide, PLA)、聚乙交酯(poly glycolyde, PGA)和聚己内酯(poly caprolactone, PCL). 有时, 具有两种或更多种聚合物性质的材料更为有利. 在这些情况下, 共聚物或聚合物的共混物被选择用于制备纳米纤维材料.目前天然材料如蛋白质或多糖因更易于被细胞识别也特别地受到再生医学领域的关注.迄今, 纤维素(cellulose) (Bhandari et al. 2017)、胶原(collagen)(Nune et al. 2017)、天然丝(natural silk) (Wang et al. 2017)、纤维蛋白原(fibrinogen) (Martins et al. 2017)、壳多糖/脱乙酰壳多糖(chitin/chitosan) (Koizumi et al. 2017)、透明质酸(hyaluronicacid) (Fallacara et al. 2017)等均已经被用于制备纳米纤维支架材料.陈焱等利用静电纺丝技术制备纳米级别的PCL纤维和PCL/gelatin复合型纤维支架研究物理微环境对iPSC向心肌细胞分化的影响及其机制.结果显示三维PCL纳米纤维仿生支架不仅可用于iPSC扩增培养, 还可通过其提供的物理生物信号调节细胞内Wnt$/\beta$-catenin信号活性进而促进iPSC向心肌细胞的分化(陈焱 2015).纯的生物纤维材料的电学性能一般较差, 目前研究者将具有高导电性能的添加物用于提高支架的导电性(如图2(d)), 用于构建电学微环境促进心肌组织成熟. ...
In calcineurin-induced cardiac hypertrophy expression of Na V 1.5, Cx40 and Cx43 is reduced by different mechanisms.
1
2008
... 鉴于心血管疾病和各种继发症的患病率上升且死亡率增加的趋势(Control & Prevention 2014, Thom et al. 2006), 目前急需建立体外心脏疾病模型, 从而更好地理解发病机制及其寻找有效的治疗手段.可实现力--电加载的生物反应器为体外构建病理状态下的疾病模型, 模拟疾病状态下的力--电微环境, 甚至为疾病的发展过程提供了可能的研究平台.Morgan等设计反应器可调节力学刺激的强度和时间以及电刺激的频率和时间模拟心脏相关疾病, 进而研究疾病状态下心肌细胞的生物学响应.力--电刺激生物反应器系统可调控力--电刺激的时间, 因此能够模仿发育过程中发生病变心肌细胞和心肌组织.比如主动脉瓣狭窄和心脏衰竭等.主动脉瓣狭窄患者主要是主动脉瓣不完全开放, 即保留左心室收缩功能等容收缩时间下降, 左心室收缩功能发生下降时, 等容收缩时间下降.收缩的延迟可能是由于左心室排出血液长时间通过阻塞的主动脉瓣, 导致的结果后负荷增加和收缩减慢.因此可以通过调节延迟外加力学刺激的时间来模拟这一过程.研究者们开发了一些可以制备高通量、微型的体外心肌组织设备(例如微流体通道、微设备和细胞芯片)用于模拟体内心肌组织功能和测试药物及浓度对心肌组织的影响.在一个研究中, 一种芯片被设计用于高通量分析心肌细胞在不同性能基底(排列)或小分子浓度(异丙肾上腺素)时的响应(Agarwal et al.2013). 这个芯片能够连续测量舒张和收缩应力(Agarwal et al. 2013, Wang et al. 2014). 此心肌芯片设备已经应用于诸多方面, 例如疾病模型的发展(巴氏综合症)和药物筛选(Bhatia & Ingber 2014, Chan et al. 2013, Esch et al. 2014), 未来也可以用于干细胞分化和共培养(Farouz et al. 2015). 最后, 另一个优势是可以在体外研究体内的可变性和不规则性.鉴于心率和舒张压变量在大多个人中是多变的, 未来的工作可了解振幅和速率变化在维持组织功能的作用(Cysarz et al. 2007, Musialik-Lydka et al. 2003). ...
Development of a novel bioreactor for the mechanical loading of tissue-engineered heart muscle.
2
2007
... 成熟的心肌组织中, 电信号的激活是通过细胞内外的离子通过电压门控离子通道(如钠离子通道(Nav1.5)或硝酸钾渠道(Kir1.2Kv4.2))交换完成, 这些信号的传导进一步通过间隙连接进行传递.多能干细胞(hiPSC)分化的心肌细胞如果缺乏电压门控离子通道相关蛋白的表达将无法发育为成熟的功能性细胞(Lieu et al.2013). 此外, Cxs表达水平的改变可影响电压门控离子通道的形成, 并引起先天或后天的心律失常(Bierhuizen et al. 2008, Xiong et al. 2015). 例如, 磷酸酶介导的肥厚小鼠模型中, Cx40和Nav1.5下调, 导致心律失常并增加了小鼠的死亡率(Bierhuizen et al. 2008). 此外, 扩张型心肌病患者KCNQ1基因突变会出现室性心动过速, 而KCNQ1基因编码了电压门控钾通道(Xiong et al. 2015). 这些结果表明, 心血管相关的疾病会改变电压门控离子通道相关蛋白和基因的表达, 进而会影响心肌细胞对电信号传导的能力, 最终引起心律失常等疾病. ...
... ). 例如, 磷酸酶介导的肥厚小鼠模型中, Cx40和Nav1.5下调, 导致心律失常并增加了小鼠的死亡率(Bierhuizen et al. 2008). 此外, 扩张型心肌病患者KCNQ1基因突变会出现室性心动过速, 而KCNQ1基因编码了电压门控钾通道(Xiong et al. 2015). 这些结果表明, 心血管相关的疾病会改变电压门控离子通道相关蛋白和基因的表达, 进而会影响心肌细胞对电信号传导的能力, 最终引起心律失常等疾病. ...
Cell-induced alignment augments twitch force in fibrin gel-based engineered myocardium via gap junction modification.
1
2009
... 目前, 研究者已经初步开发了各种生物反应器用于三维心肌组织周期性拉伸刺激(Birla et al.2007, Black et al. 2009, Cha et al. 2006, Kluge et al. 2011).Eschenhagen团队分别将鼠和鸡心肌细胞包埋于胶原凝胶基底中(Fink et al. 2000, Zimmermann et al. 2000)并进行拉伸, 结果表明拉伸刺激后心肌组织的功能有所改善.Zimmerman等设计管道状组织工程结构, 心肌组织实现0.51 mN的最大收缩幅度, 并且随着培养时间加长收缩力加强, 心肌组织表现出一种主动--长度和被动力--频率的关系, 表明获得的工程化心肌组织类似于体内组织(Zimmermann et al. 2000).在类似研究中, 将鸡心肌细胞包埋在胶原凝胶中, 对心肌组织施加单向周期性拉伸, 四天后心肌细胞长径比、肌丝长度和线粒体密度均有增加, 代谢活动增强, 肌节$\alpha $-actinin表达增加40% (Fink et al. 2000). 整体而言, 力学拉伸对三维心肌组织表型成熟化至关重要, 但结果中并没有报道拉伸幅度和频率导致的最大收缩力.研究者随后对该设计进行改进, 设计环形结构实现更好的参数控制, 在拉伸(10%应变、2 Hz)7 d后观察到高度有序的肌节以及黏附增加和间隙连接的形成(Zimmermann et al.2002). ...
Cell-induced alignment augments twitch force in fibrin gel-based engineered myocardium via gap junction modification.
3
2009
... 组织工程和再生医学的出现与发展为体外构建具有生理功能的组织和器官带来了希望, 为受损心肌的修复提供了可能(Hench & Polak 2002). 目前, 研究者已研发了多种方法用于工程化心肌组织的体外构建, 主要包括水凝胶法和多孔支架法. 水凝胶法是将细胞包裹于水凝胶内部, 而多孔支架法是将细胞接种于通过静电纺丝或微纳制造等技术制备的模拟细胞外基质(ECM)的材料表面.例如, Tranquillo等将心肌细胞包埋在纤维蛋白水凝胶中, 提高了心肌细胞间隙连接蛋白的表达并增强了收缩力, 实现了心肌组织功能的改善(Black III et al. 2009). 与此同时, Akins等将心肌细胞接种于有序的静电纺丝聚氨酯支架材料上, 实现心肌细胞的定向铺展, 更好地模拟了在体心肌细胞的形态(Rockwood et al. 2008).通过支架的设计和构建虽然可以在一定程度上模拟在体心肌的微环境, 改善体外构建心肌组织的表型和功能, 但由于细胞多数只接种于材料表面, 无法完全模拟在体心肌复杂的三维微环境(Ghafar-Zadeh et al. 2011). ...
... 由于二维与三维状态下细胞骨架分布不同, 二维条件下的研究结果并不能很好的适用于三维(Abbott 2003).二维培养时, 通过添加小分子或改变表面涂层增加基底硬度可以增强心肌细胞收缩力.但二维培养系统中, 基质的硬度和孔经大小通常是相互关联的, 很难确定硬度、孔径和配体组织对细胞的单一作用(Chaudhuri & Mooney 2012; Engler et al. 2008, 2004, 2006; Griffin et al. 2004; Holle & Engler 2011; Huebsch et al. 2010; Trappmann et al. 2012; Tse & Engler 2011; Young et al. 2012).而三维培养体系中基底硬度的作用相对均匀, 但由于周围复合物的不断形成、整合素结合、细胞骨架重排以及可用性营养更加复杂的原因, 加大了评估这些参数对细胞特定作用的困难.为更好地控制这些参数以促进工程化组织的成熟, 研究者已开始对体外三维培养系统的构建和调控进行系统研究(Chen et al. 2008, Massai et al. 2013, Rangarajan et al. 2014, Shapira-Schweitzer & Seliktar 2007). 越来越多研究发现, 即使没有加载力学刺激, 三维培养系统下也可促进细胞的排列, 提高心肌功能相关的基因和蛋白的表达(Black et al. 2009, Stoppel et al. 2015), 而这些结果在力学刺激后得到了进一步的改善. ...
... 目前, 研究者已经初步开发了各种生物反应器用于三维心肌组织周期性拉伸刺激(Birla et al.2007, Black et al. 2009, Cha et al. 2006, Kluge et al. 2011).Eschenhagen团队分别将鼠和鸡心肌细胞包埋于胶原凝胶基底中(Fink et al. 2000, Zimmermann et al. 2000)并进行拉伸, 结果表明拉伸刺激后心肌组织的功能有所改善.Zimmerman等设计管道状组织工程结构, 心肌组织实现0.51 mN的最大收缩幅度, 并且随着培养时间加长收缩力加强, 心肌组织表现出一种主动--长度和被动力--频率的关系, 表明获得的工程化心肌组织类似于体内组织(Zimmermann et al. 2000).在类似研究中, 将鸡心肌细胞包埋在胶原凝胶中, 对心肌组织施加单向周期性拉伸, 四天后心肌细胞长径比、肌丝长度和线粒体密度均有增加, 代谢活动增强, 肌节$\alpha $-actinin表达增加40% (Fink et al. 2000). 整体而言, 力学拉伸对三维心肌组织表型成熟化至关重要, 但结果中并没有报道拉伸幅度和频率导致的最大收缩力.研究者随后对该设计进行改进, 设计环形结构实现更好的参数控制, 在拉伸(10%应变、2 Hz)7 d后观察到高度有序的肌节以及黏附增加和间隙连接的形成(Zimmermann et al.2002). ...
A microfabricated platform to measure and manipulate the mechanics of engineered cardiac microtissues.
0
2012
Myosin synthesis increased by electrical stimulation of skeletal muscle cell cultures.
1
1976
... Legant等将凝胶悬浮在两个平行的PDMS柱子之间(Galie et al. 2015, Legant et al. 2009), 柱子的偏转可以测定水凝胶中细胞产生的收缩力.考虑到心肌细胞有限的重塑和增殖能力, 在构建的生物组织中共培养心肌成纤维细胞是非常必要的(Galie & Stegemann 2011, Porter & Turner 2009, Sullivan & Black 2013). 通过近一步改进, 实现在较大结构组织(Galie et al. 2015)、微结构组织(Boudou et al. 2012)、锯齿状三维胶原结构中包埋心肌细胞和心肌成纤维细胞, 通过原子力显微镜尖端施加不同大小振幅和频率刺激, 增强了组织的收缩力. 这些实验只研究了0.5 \(\sim\) 2 Hz的加载频率, 结果发现2 Hz的力学加载可增强心肌细胞表型, 且构建的心肌组织搏动频率保持在1 Hz左右.在另一个生物反应器中可实现周期性拉伸, 多孔胶原材料一边粘在培养皿上, 另一边连接在钢棒上(控制动态拉伸)(Liu et al. 1999), 心肌细胞包埋于胶原中. 经过拉伸刺激后(80 r/min, 14 d)发现胶原基质的形成以及心肌细胞进入胶原的数量均有增加. ...
Pulsatile perfusion bioreactor for cardiac tissue engineering.
1
2008
... 在过去十几年, 研究发现能够通过电刺激在体外构建成熟的心肌组织(Brevet et al. 1976, McDonough & Glembotski 1992), 主要通过激活许多通路使细胞产生一系列生理反应, 如转录因子的激活、钙处理、氧化应激反应、蛋白激酶的表达和激活和磷酸酶的激活.转录因子如NFAT3, GATA4, NRF-1 (核呼吸因子), c-Jun和铬黄C对心肌细胞生长成熟、细胞内线粒体增殖以及祖细胞分化过程都非常重要(Xia et al.1998, Xia et al. 2000).电刺激通过激活CaMK通路调节心肌细胞的钙处理能力和应激反应(Ca$^{2 +}$/依赖钙调蛋白激酶) (McKinsey & Olson 1999, Passier et al. 2000, Xia et al. 2000).CaMK-I和CaMK-IV的激活可引起磷酸酯酶的激活(如钙调神经磷酸酶), 但是当发生过表达时最终会导致病理性肥大(McKinsey & Olson 1999, Passier et al. 2000).这些结果可以明确导致病理发生的电信号持续时间, 以此更清楚地设计体外培养的方法来研究生理或病理反应过程. ...
Highly efficient induction and long-term maintenance of multipotent cardiovascular progenitors from human pluripotent stem cells under defined conditions.
Time-dependent modulation of alignment and differentiation of smooth muscle cells seeded on a porous substrate undergoing cyclic mechanical strain.
1
2006
... 虽然目前研究已证实, 通过力学和电学微环境调控对心肌功能及干细胞分化为心肌细胞有着显著的影响, 但其在心肌组织构建中的应用仍然处在起步阶段. 近年来, 已有国外研究者发现能够通过调控干细胞的$\beta $-catenin通路, 来实现高效的干细胞向心肌细胞的分化 (Lian et al. 2012).目前国内研究者在该领域也取得了大量的研究成果, 杨黄恬课题组发现了多个能够影响干细胞向心肌细胞分化的信号通路, 利用细胞因子或基因修饰的方法促进了心肌细胞的分化效率和功能(Cao et al. 2013, Tang et al. 2016); 龙勉课题组开展发现了基质材料的硬度和形貌等力学因素对间充质干细胞分化的影响的研究, 发现可通过调控基质材料的力学微环境来诱导干细胞的分化方向(Li et al. 2013, Lu et al.2014). 研究如何促进心肌细胞的分化, 以及使用干细胞分化得到心肌细胞构建功能化心肌组织的实验方法, 可以推进人源干细胞用于心肌组织工程的进程, 促进工程化心肌组织的临床治疗应用.因此未来需要更多地研究如何利用力学和电学微环境促进干细胞向心肌细胞的分化, 并以此来构建具有临床应用潜力的工程化心肌组织. ...
Accelerating drug discovery via organs-on-chips.
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2013
... 目前, 研究者已经初步开发了各种生物反应器用于三维心肌组织周期性拉伸刺激(Birla et al.2007, Black et al. 2009, Cha et al. 2006, Kluge et al. 2011).Eschenhagen团队分别将鼠和鸡心肌细胞包埋于胶原凝胶基底中(Fink et al. 2000, Zimmermann et al. 2000)并进行拉伸, 结果表明拉伸刺激后心肌组织的功能有所改善.Zimmerman等设计管道状组织工程结构, 心肌组织实现0.51 mN的最大收缩幅度, 并且随着培养时间加长收缩力加强, 心肌组织表现出一种主动--长度和被动力--频率的关系, 表明获得的工程化心肌组织类似于体内组织(Zimmermann et al. 2000).在类似研究中, 将鸡心肌细胞包埋在胶原凝胶中, 对心肌组织施加单向周期性拉伸, 四天后心肌细胞长径比、肌丝长度和线粒体密度均有增加, 代谢活动增强, 肌节$\alpha $-actinin表达增加40% (Fink et al. 2000). 整体而言, 力学拉伸对三维心肌组织表型成熟化至关重要, 但结果中并没有报道拉伸幅度和频率导致的最大收缩力.研究者随后对该设计进行改进, 设计环形结构实现更好的参数控制, 在拉伸(10%应变、2 Hz)7 d后观察到高度有序的肌节以及黏附增加和间隙连接的形成(Zimmermann et al.2002). ...
... 鉴于心血管疾病和各种继发症的患病率上升且死亡率增加的趋势(Control & Prevention 2014, Thom et al. 2006), 目前急需建立体外心脏疾病模型, 从而更好地理解发病机制及其寻找有效的治疗手段.可实现力--电加载的生物反应器为体外构建病理状态下的疾病模型, 模拟疾病状态下的力--电微环境, 甚至为疾病的发展过程提供了可能的研究平台.Morgan等设计反应器可调节力学刺激的强度和时间以及电刺激的频率和时间模拟心脏相关疾病, 进而研究疾病状态下心肌细胞的生物学响应.力--电刺激生物反应器系统可调控力--电刺激的时间, 因此能够模仿发育过程中发生病变心肌细胞和心肌组织.比如主动脉瓣狭窄和心脏衰竭等.主动脉瓣狭窄患者主要是主动脉瓣不完全开放, 即保留左心室收缩功能等容收缩时间下降, 左心室收缩功能发生下降时, 等容收缩时间下降.收缩的延迟可能是由于左心室排出血液长时间通过阻塞的主动脉瓣, 导致的结果后负荷增加和收缩减慢.因此可以通过调节延迟外加力学刺激的时间来模拟这一过程.研究者们开发了一些可以制备高通量、微型的体外心肌组织设备(例如微流体通道、微设备和细胞芯片)用于模拟体内心肌组织功能和测试药物及浓度对心肌组织的影响.在一个研究中, 一种芯片被设计用于高通量分析心肌细胞在不同性能基底(排列)或小分子浓度(异丙肾上腺素)时的响应(Agarwal et al.2013). 这个芯片能够连续测量舒张和收缩应力(Agarwal et al. 2013, Wang et al. 2014). 此心肌芯片设备已经应用于诸多方面, 例如疾病模型的发展(巴氏综合症)和药物筛选(Bhatia & Ingber 2014, Chan et al. 2013, Esch et al. 2014), 未来也可以用于干细胞分化和共培养(Farouz et al. 2015). 最后, 另一个优势是可以在体外研究体内的可变性和不规则性.鉴于心率和舒张压变量在大多个人中是多变的, 未来的工作可了解振幅和速率变化在维持组织功能的作用(Cysarz et al. 2007, Musialik-Lydka et al. 2003). ...
Biomaterials in cardiac tissue engineering: Ten years of research survey.
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2008
... 由于二维与三维状态下细胞骨架分布不同, 二维条件下的研究结果并不能很好的适用于三维(Abbott 2003).二维培养时, 通过添加小分子或改变表面涂层增加基底硬度可以增强心肌细胞收缩力.但二维培养系统中, 基质的硬度和孔经大小通常是相互关联的, 很难确定硬度、孔径和配体组织对细胞的单一作用(Chaudhuri & Mooney 2012; Engler et al. 2008, 2004, 2006; Griffin et al. 2004; Holle & Engler 2011; Huebsch et al. 2010; Trappmann et al. 2012; Tse & Engler 2011; Young et al. 2012).而三维培养体系中基底硬度的作用相对均匀, 但由于周围复合物的不断形成、整合素结合、细胞骨架重排以及可用性营养更加复杂的原因, 加大了评估这些参数对细胞特定作用的困难.为更好地控制这些参数以促进工程化组织的成熟, 研究者已开始对体外三维培养系统的构建和调控进行系统研究(Chen et al. 2008, Massai et al. 2013, Rangarajan et al. 2014, Shapira-Schweitzer & Seliktar 2007). 越来越多研究发现, 即使没有加载力学刺激, 三维培养系统下也可促进细胞的排列, 提高心肌功能相关的基因和蛋白的表达(Black et al. 2009, Stoppel et al. 2015), 而这些结果在力学刺激后得到了进一步的改善. ...
Cardiac conduction is required to preserve cardiac chamber morphology.
1
2010
... 由于二维与三维状态下细胞骨架分布不同, 二维条件下的研究结果并不能很好的适用于三维(Abbott 2003).二维培养时, 通过添加小分子或改变表面涂层增加基底硬度可以增强心肌细胞收缩力.但二维培养系统中, 基质的硬度和孔经大小通常是相互关联的, 很难确定硬度、孔径和配体组织对细胞的单一作用(Chaudhuri & Mooney 2012; Engler et al. 2008, 2004, 2006; Griffin et al. 2004; Holle & Engler 2011; Huebsch et al. 2010; Trappmann et al. 2012; Tse & Engler 2011; Young et al. 2012).而三维培养体系中基底硬度的作用相对均匀, 但由于周围复合物的不断形成、整合素结合、细胞骨架重排以及可用性营养更加复杂的原因, 加大了评估这些参数对细胞特定作用的困难.为更好地控制这些参数以促进工程化组织的成熟, 研究者已开始对体外三维培养系统的构建和调控进行系统研究(Chen et al. 2008, Massai et al. 2013, Rangarajan et al. 2014, Shapira-Schweitzer & Seliktar 2007). 越来越多研究发现, 即使没有加载力学刺激, 三维培养系统下也可促进细胞的排列, 提高心肌功能相关的基因和蛋白的表达(Black et al. 2009, Stoppel et al. 2015), 而这些结果在力学刺激后得到了进一步的改善. ...
Genetic and physiologic dissection of the vertebrate cardiac conduction system.
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2008
... 很多研究者利用疾病模型来研究疾病状态下心肌电学相关蛋白的变化.例如, 研究者以斑马鱼和小鼠作为代表研究了电信号在心脏发育过程中的作用.斑马鱼的心脏由两个心室组成, 但其电信号传导机制与人相似(Arrenberg et al.2010; Chi et al. 2010, 2008; Sedmera et al. 2003; Tu & Chi 2012). 电信号的传播主要通过间隙连接完成, 间隙连接在同步动作电位和调节同步收缩发挥重要作用(Ye & Black 2011). 具体来说, 间隙连接家族中连接素(Cxs)的表达和修饰的错误调节可导致心律失常或胚胎早期死亡(Kumai et al.2000, Seki et al. 2015). 小鼠的心肌细胞表达多种间隙链接蛋白(包括Cx30, Cx30.2, Cx40, Cx43, Cx45和Cx46 (Chi et al. 2010, Gros et al. 2010, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Seki et al. 2015)), 其存在对心脏的正常发育至关重要(Beauchamp et al. 2012, Gros et al. 2010, Kirchhoff et al. 1998, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Reaume et al. 1995), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
... ). 小鼠的心肌细胞表达多种间隙链接蛋白(包括Cx30, Cx30.2, Cx40, Cx43, Cx45和Cx46 (Chi et al. 2010, Gros et al. 2010, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Seki et al. 2015)), 其存在对心脏的正常发育至关重要(Beauchamp et al. 2012, Gros et al. 2010, Kirchhoff et al. 1998, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Reaume et al. 1995), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
Cardiac tissue engineering: current state and perspectives.
1
2011
... 很多研究者利用疾病模型来研究疾病状态下心肌电学相关蛋白的变化.例如, 研究者以斑马鱼和小鼠作为代表研究了电信号在心脏发育过程中的作用.斑马鱼的心脏由两个心室组成, 但其电信号传导机制与人相似(Arrenberg et al.2010; Chi et al. 2010, 2008; Sedmera et al. 2003; Tu & Chi 2012). 电信号的传播主要通过间隙连接完成, 间隙连接在同步动作电位和调节同步收缩发挥重要作用(Ye & Black 2011). 具体来说, 间隙连接家族中连接素(Cxs)的表达和修饰的错误调节可导致心律失常或胚胎早期死亡(Kumai et al.2000, Seki et al. 2015). 小鼠的心肌细胞表达多种间隙链接蛋白(包括Cx30, Cx30.2, Cx40, Cx43, Cx45和Cx46 (Chi et al. 2010, Gros et al. 2010, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Seki et al. 2015)), 其存在对心脏的正常发育至关重要(Beauchamp et al. 2012, Gros et al. 2010, Kirchhoff et al. 1998, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Reaume et al. 1995), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
Cardiac resynchronization therapy for chronic heart failure: why does it not always work?
2
2006
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
... 在基于各种材料的三维心肌组织构建研究中, 均显示与电刺激相结合有助于干细胞向心肌细胞表型分化, 并改善心肌细胞的功能(Barash et al. 2010; Chiu et al. 2011; Kapur 2011; Maidhof et al. 2012; Park et al. 2014; Pietronave et al. 2013; Tandon et al. 2009, 2011; Wang et al. 2013).大多数用于细胞培养的生物材料并不具有导电性, 因此需要通过外加电刺激实现心肌组织的同步收缩, 也可通过添加导电材料如碳纳米管和石墨烯等提高支架的导电性(Dvir et al. 2011, Martins et al. 2014, Shin et al. 2013, You et al. 2011, Zhou et al. 2014).Radisic等研究了电刺激在心肌组织形成和成熟中的作用, 将心肌细胞和心肌成纤维细胞包埋于胶原中, 培养3 d后连续5 d施加电脉冲刺激(2 ms、5 V/cm、1 Hz)模拟体内心肌的电学微环境(Zhao et al.2016). 施加电刺激后心肌组织的电信号传导和收缩特性有所改善, 不仅提高了MHC、Cx43、肌酸激酶MM和cTnI的表达, 而且心肌细胞收缩力也有显著增强, 收缩频率增加且实现同步收缩(Zhao et al. 2016). 在另一研究中, 通过使用L型钙通道、间隙连接和PI3K通路阻断剂, 确认了功能性间隙连接、细胞骨架和兴奋收缩耦合是实现组织收缩的必要条件(Zhao et al.2016). 此外, 在培养3 d开始刺激, 防止细胞内心肌蛋白的积累, 限制心肌细胞成熟和收缩(Radisic et al. 2007), 建立了精确的控制刺激条件, 并了解了刺激前、刺激时和刺激后心肌细胞表型的变化. 在另一研究中, 三维心肌组织由单层二维细胞层叠而成, 仅一天的电刺激加载就使层与层之间的电导--收缩耦合明显增强(Shimizu et al.2002), 这表明电刺激可促进心肌组织耦合的过程中建立同步收缩. ...
National diabetes statistics report: Estimates of diabetes and its burden in the United States, 2014. Atlanta, GA: US Department of Health and
Implantation of in vitro tissue engineered muscle repair constructs and bladder acellular matrices partially restore in vivo skeletal muscle function in a rat model of volumetric muscle loss injury.
A molecular basis for cardiac arrhythmia: HERG mutations cause long QT syndrome.
2
1995
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
... ), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
Regular heartbeat dynamics are associated with cardiac health. American Journal of Physiology-Regulatory,
1
2007
... 心肌收缩和动作电位的产生是受到成熟相关的功能蛋白(组织相容性复合物、肌钙蛋白、Cxs)以及离子通道的调控.这些关键蛋白的表达水平不仅受力学转导通路调控, 而且可以通过电刺激来调节.对接种于培养板上细胞施加6 d的电刺激(10 Hz, 1 V, 5 ms), 结果发现细胞排列更加有序且Cx43表达增加, 细胞长径比也增大(Baumgartner et al. 2015).另外还发现人ether-a-go-go基因(HERG)相关的电压门控钾离子通道Kcnh2在施加电刺激时表达上调(Curran et al.1995, Volberg et al. 2002). 上述结果均证明体外施加电刺激对于信号通路的成熟和发育非常重要.因此, 电刺激可以提高心肌细胞成熟, 刺激的频率和电压大小的不同也同样影响心肌细胞的行为. ...
Effects of cardiac resynchronization therapy on sleep apnea, quality of sleep and daytime sleepiness in patients with chronic heart failure.
1
2010
... 鉴于心血管疾病和各种继发症的患病率上升且死亡率增加的趋势(Control & Prevention 2014, Thom et al. 2006), 目前急需建立体外心脏疾病模型, 从而更好地理解发病机制及其寻找有效的治疗手段.可实现力--电加载的生物反应器为体外构建病理状态下的疾病模型, 模拟疾病状态下的力--电微环境, 甚至为疾病的发展过程提供了可能的研究平台.Morgan等设计反应器可调节力学刺激的强度和时间以及电刺激的频率和时间模拟心脏相关疾病, 进而研究疾病状态下心肌细胞的生物学响应.力--电刺激生物反应器系统可调控力--电刺激的时间, 因此能够模仿发育过程中发生病变心肌细胞和心肌组织.比如主动脉瓣狭窄和心脏衰竭等.主动脉瓣狭窄患者主要是主动脉瓣不完全开放, 即保留左心室收缩功能等容收缩时间下降, 左心室收缩功能发生下降时, 等容收缩时间下降.收缩的延迟可能是由于左心室排出血液长时间通过阻塞的主动脉瓣, 导致的结果后负荷增加和收缩减慢.因此可以通过调节延迟外加力学刺激的时间来模拟这一过程.研究者们开发了一些可以制备高通量、微型的体外心肌组织设备(例如微流体通道、微设备和细胞芯片)用于模拟体内心肌组织功能和测试药物及浓度对心肌组织的影响.在一个研究中, 一种芯片被设计用于高通量分析心肌细胞在不同性能基底(排列)或小分子浓度(异丙肾上腺素)时的响应(Agarwal et al.2013). 这个芯片能够连续测量舒张和收缩应力(Agarwal et al. 2013, Wang et al. 2014). 此心肌芯片设备已经应用于诸多方面, 例如疾病模型的发展(巴氏综合症)和药物筛选(Bhatia & Ingber 2014, Chan et al. 2013, Esch et al. 2014), 未来也可以用于干细胞分化和共培养(Farouz et al. 2015). 最后, 另一个优势是可以在体外研究体内的可变性和不规则性.鉴于心率和舒张压变量在大多个人中是多变的, 未来的工作可了解振幅和速率变化在维持组织功能的作用(Cysarz et al. 2007, Musialik-Lydka et al. 2003). ...
Akt1 is required for physiological cardiac growth.
1
2006
... 水凝胶的硬度调控范围很大, 非常有利于模拟体内心肌生理或病理力学微环境如图2(a) (Dawson et al.2008).通过改变聚合物的相对分子质量、浓度和交联密度可以合成不同硬度的水凝胶, 最小硬度仅为0.2 \(\sim\) 0.4 kPa(含水率99.5%), 最大硬度可达200 kPa (Gattazzo et al. 2014, Nava et al. 2012).心肌细胞和干细胞在不同硬度的水凝胶中的细胞学行为、功能及分化特性都不相同.例如, 将心肌细胞接种于不同硬度的聚丙烯酰胺凝胶与0.5 mg/mL鼠尾I型胶原共价偶联混合物表面(1 kPa, 10 kPa和50 kPa), 发现心肌细胞在10 kPa(类似胚胎组织硬度)的凝胶表面出现有序条纹, 而在硬度50 kPa的凝胶上出现无序条纹, 这一结果表明体外基底硬度与体内力学微环境不匹配很可能会引起不正常的细胞响应(Jacot et al.2008). ...
Mechanical control of cell biology. Effects of cyclic mechanical stretch on cardiomyocyte cellular organization.
1
2014
... 最近有研究利用磁性纳米颗粒对三维大孔海藻酸盐支架中的细胞施加力学刺激(Sapir et al.2014).通过外部提供5 Hz的交变磁场对接种有心肌细胞的大孔支架施加力学加载.相比无力学刺激组, 在短期(20 min)外部磁场刺激下, 心肌组织形成了更多各向异性的条纹纤维状结构, 且蛋白激酶磷酸化增加(与肥大相关(DeBosch et al. 2006, Fujio et al. 2000, Sapir et al. 2014, Schaub et al. 1997, Shiojima et al. 2002)). 在刺激和无刺激下组织p38促分裂活化蛋白激酶表达无明显差异.因此, 基于以上结果需要通过优化材料和刺激参数进一步的研究磁场刺激对细胞功能的影响. ...
Direct activation of cardiac pacemaker channels by intracellular cyclic AMP.
1
1991
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
Direct nkx2-5 transcriptional repression of isl1 controls cardiomyocyte subtype identity.
1
2015
... 心脏处在一个由节律性电信号介导的动态力--电耦合环境中, 正常的心肌电学微环境对其实现同步收缩和搏动功能至关重要.心脏中约有1%的心肌细胞可自发地产生节律性兴奋(称为起搏细胞), 构成了负责生成电脉冲或动作电位的窦房结, 来启动整个心脏的搏动(DiFrancesco & Tortora 1991, Dorn et al. 2015, Fahrenbach et al. 2007, Mangoni et al. 2003, Mesirca et al. 2015).窦房结产生的电兴奋首先通过电传播速率较快的节间束传播到右、左心房(传播速度为约0.4 m/s), 引起心房区域的搏动; 然后通过导电速率较慢的房室交界区(约0.02 m/s)传播至心室区, 使得心房和心室的动作电位产生了时间间隔, 引起心房和心室节律性收缩的先后次序; 心室区域的电信号首先通过房室束(约1 m/s)传播, 然后通过具有网络状结构的浦肯野纤维(2 \(\sim\) 3 m/s)将电信号传播至心室的各个部分, 引起心室区域的同步搏动.由于电信号传播至左、右心室的传导路径相似且导电速率非常高, 所以左右心室几乎同时收缩, 形成功能上的合胞体. ...
Nanowired three-dimensional cardiac patches.
1
2011
... 心脏处在一个由节律性电信号介导的动态力--电耦合环境中, 正常的心肌电学微环境对其实现同步收缩和搏动功能至关重要.心脏中约有1%的心肌细胞可自发地产生节律性兴奋(称为起搏细胞), 构成了负责生成电脉冲或动作电位的窦房结, 来启动整个心脏的搏动(DiFrancesco & Tortora 1991, Dorn et al. 2015, Fahrenbach et al. 2007, Mangoni et al. 2003, Mesirca et al. 2015).窦房结产生的电兴奋首先通过电传播速率较快的节间束传播到右、左心房(传播速度为约0.4 m/s), 引起心房区域的搏动; 然后通过导电速率较慢的房室交界区(约0.02 m/s)传播至心室区, 使得心房和心室的动作电位产生了时间间隔, 引起心房和心室节律性收缩的先后次序; 心室区域的电信号首先通过房室束(约1 m/s)传播, 然后通过具有网络状结构的浦肯野纤维(2 \(\sim\) 3 m/s)将电信号传播至心室的各个部分, 引起心室区域的同步搏动.由于电信号传播至左、右心室的传导路径相似且导电速率非常高, 所以左右心室几乎同时收缩, 形成功能上的合胞体. ...
Molecular and functional signature of heart hypertrophy during pregnancy.
2
2005
... 由于细胞之间存在电信号传导与交流, 研究发现电刺激对细胞的影响与细胞微环境的电导率息息相关.大多数传统生物材料导电性较差, 因此近些年新型导电性生物材料得到广泛的开发.一般通过将水凝胶与导电材料(如导电聚合物或低聚物(Mihic et al. 2015)、AuNPs (Dvir et al. 2011)、CNTs (Su et al. 2013)、石墨烯(Annabi et al. 2015))复合来提高水凝胶材料的导电性能如图2(b), 最终用于体外进行电学微环境构建和调控. ...
... 在基于各种材料的三维心肌组织构建研究中, 均显示与电刺激相结合有助于干细胞向心肌细胞表型分化, 并改善心肌细胞的功能(Barash et al. 2010; Chiu et al. 2011; Kapur 2011; Maidhof et al. 2012; Park et al. 2014; Pietronave et al. 2013; Tandon et al. 2009, 2011; Wang et al. 2013).大多数用于细胞培养的生物材料并不具有导电性, 因此需要通过外加电刺激实现心肌组织的同步收缩, 也可通过添加导电材料如碳纳米管和石墨烯等提高支架的导电性(Dvir et al. 2011, Martins et al. 2014, Shin et al. 2013, You et al. 2011, Zhou et al. 2014).Radisic等研究了电刺激在心肌组织形成和成熟中的作用, 将心肌细胞和心肌成纤维细胞包埋于胶原中, 培养3 d后连续5 d施加电脉冲刺激(2 ms、5 V/cm、1 Hz)模拟体内心肌的电学微环境(Zhao et al.2016). 施加电刺激后心肌组织的电信号传导和收缩特性有所改善, 不仅提高了MHC、Cx43、肌酸激酶MM和cTnI的表达, 而且心肌细胞收缩力也有显著增强, 收缩频率增加且实现同步收缩(Zhao et al. 2016). 在另一研究中, 通过使用L型钙通道、间隙连接和PI3K通路阻断剂, 确认了功能性间隙连接、细胞骨架和兴奋收缩耦合是实现组织收缩的必要条件(Zhao et al.2016). 此外, 在培养3 d开始刺激, 防止细胞内心肌蛋白的积累, 限制心肌细胞成熟和收缩(Radisic et al. 2007), 建立了精确的控制刺激条件, 并了解了刺激前、刺激时和刺激后心肌细胞表型的变化. 在另一研究中, 三维心肌组织由单层二维细胞层叠而成, 仅一天的电刺激加载就使层与层之间的电导--收缩耦合明显增强(Shimizu et al.2002), 这表明电刺激可促进心肌组织耦合的过程中建立同步收缩. ...
Calcium release from the sarcoplasmic reticulum.
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1977
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
Embryonic cardiomyocytes beat best on a matrix with heart-like elasticity: Scar-like rigidity inhibits beating.
Hyaluronic Acid Fillers in Soft Tissue Regeneration.
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2017
... 心脏处在一个由节律性电信号介导的动态力--电耦合环境中, 正常的心肌电学微环境对其实现同步收缩和搏动功能至关重要.心脏中约有1%的心肌细胞可自发地产生节律性兴奋(称为起搏细胞), 构成了负责生成电脉冲或动作电位的窦房结, 来启动整个心脏的搏动(DiFrancesco & Tortora 1991, Dorn et al. 2015, Fahrenbach et al. 2007, Mangoni et al. 2003, Mesirca et al. 2015).窦房结产生的电兴奋首先通过电传播速率较快的节间束传播到右、左心房(传播速度为约0.4 m/s), 引起心房区域的搏动; 然后通过导电速率较慢的房室交界区(约0.02 m/s)传播至心室区, 使得心房和心室的动作电位产生了时间间隔, 引起心房和心室节律性收缩的先后次序; 心室区域的电信号首先通过房室束(约1 m/s)传播, 然后通过具有网络状结构的浦肯野纤维(2 \(\sim\) 3 m/s)将电信号传播至心室的各个部分, 引起心室区域的同步搏动.由于电信号传播至左、右心室的传导路径相似且导电速率非常高, 所以左右心室几乎同时收缩, 形成功能上的合胞体. ...
Concise review: Growing hearts in the right place: On the design of biomimetic materials for cardiac stem cell differentiation.
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2015
... 材料的选择取决于支架应用目的. 对于生物组织工程支架来说, 具有良好生物降解性和生物相容性的聚合物是优先之选.具体的选择可根据再生组织以及再生所需时间等因素来进一步确定.在组织工程支架制备中, 应用最多的合成材料是聚酯类, 如(Martins et al. 2017)聚丙交酯(poly lactide, PLA)、聚乙交酯(poly glycolyde, PGA)和聚己内酯(poly caprolactone, PCL). 有时, 具有两种或更多种聚合物性质的材料更为有利. 在这些情况下, 共聚物或聚合物的共混物被选择用于制备纳米纤维材料.目前天然材料如蛋白质或多糖因更易于被细胞识别也特别地受到再生医学领域的关注.迄今, 纤维素(cellulose) (Bhandari et al. 2017)、胶原(collagen)(Nune et al. 2017)、天然丝(natural silk) (Wang et al. 2017)、纤维蛋白原(fibrinogen) (Martins et al. 2017)、壳多糖/脱乙酰壳多糖(chitin/chitosan) (Koizumi et al. 2017)、透明质酸(hyaluronicacid) (Fallacara et al. 2017)等均已经被用于制备纳米纤维支架材料.陈焱等利用静电纺丝技术制备纳米级别的PCL纤维和PCL/gelatin复合型纤维支架研究物理微环境对iPSC向心肌细胞分化的影响及其机制.结果显示三维PCL纳米纤维仿生支架不仅可用于iPSC扩增培养, 还可通过其提供的物理生物信号调节细胞内Wnt$/\beta$-catenin信号活性进而促进iPSC向心肌细胞的分化(陈焱 2015).纯的生物纤维材料的电学性能一般较差, 目前研究者将具有高导电性能的添加物用于提高支架的导电性(如图2(d)), 用于构建电学微环境促进心肌组织成熟. ...
An electro-tensile bioreactor for 3-D culturing of cardiomyocytes. Engineering in Medicine and Biology Magazine,
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2005
... 鉴于心血管疾病和各种继发症的患病率上升且死亡率增加的趋势(Control & Prevention 2014, Thom et al. 2006), 目前急需建立体外心脏疾病模型, 从而更好地理解发病机制及其寻找有效的治疗手段.可实现力--电加载的生物反应器为体外构建病理状态下的疾病模型, 模拟疾病状态下的力--电微环境, 甚至为疾病的发展过程提供了可能的研究平台.Morgan等设计反应器可调节力学刺激的强度和时间以及电刺激的频率和时间模拟心脏相关疾病, 进而研究疾病状态下心肌细胞的生物学响应.力--电刺激生物反应器系统可调控力--电刺激的时间, 因此能够模仿发育过程中发生病变心肌细胞和心肌组织.比如主动脉瓣狭窄和心脏衰竭等.主动脉瓣狭窄患者主要是主动脉瓣不完全开放, 即保留左心室收缩功能等容收缩时间下降, 左心室收缩功能发生下降时, 等容收缩时间下降.收缩的延迟可能是由于左心室排出血液长时间通过阻塞的主动脉瓣, 导致的结果后负荷增加和收缩减慢.因此可以通过调节延迟外加力学刺激的时间来模拟这一过程.研究者们开发了一些可以制备高通量、微型的体外心肌组织设备(例如微流体通道、微设备和细胞芯片)用于模拟体内心肌组织功能和测试药物及浓度对心肌组织的影响.在一个研究中, 一种芯片被设计用于高通量分析心肌细胞在不同性能基底(排列)或小分子浓度(异丙肾上腺素)时的响应(Agarwal et al.2013). 这个芯片能够连续测量舒张和收缩应力(Agarwal et al. 2013, Wang et al. 2014). 此心肌芯片设备已经应用于诸多方面, 例如疾病模型的发展(巴氏综合症)和药物筛选(Bhatia & Ingber 2014, Chan et al. 2013, Esch et al. 2014), 未来也可以用于干细胞分化和共培养(Farouz et al. 2015). 最后, 另一个优势是可以在体外研究体内的可变性和不规则性.鉴于心率和舒张压变量在大多个人中是多变的, 未来的工作可了解振幅和速率变化在维持组织功能的作用(Cysarz et al. 2007, Musialik-Lydka et al. 2003). ...
Maturing human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes in human engineered cardiac tissues.
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2016
... 为了更真实地模拟在体心肌组织的生理特征, 研究者开发了力学拉伸和电刺激结合的生物反应器(Feng et al. 2005, Isenberg & Tranquillo 2003, Lu et al. 2013, Miklas et al. 2014, Morgan & Black 2014, Wang et al. 2013), 以期将模拟心室填充过程的力学刺激与电刺激结合以实现心肌组织的同步收缩(如图5).具体是通过电场对整个组织施加电刺激, 而通过物理拉伸对心肌组织施加应变刺激.最早的力--电反应器系统是单轴拉伸, 展示了平台的可行性和可调节性(Feng et al. 2005).研究者对第一个生物反应器采取了多种方式的改进, 包括增加测试的样本数量和提高刺激参数的精确度.Morgan等基于先前力学刺激的系统设计了生物反应器单元(Morgan & Black III 2014, Morgan & Black 2014), 进一步在组织周围添加两个单独碳棒来施加电刺激.这种组合系统提供仿生的力--电耦合刺激, 模拟了体内的等容收缩期.原代心肌细胞培养在纤维水凝胶中, 通过"延迟"刺激机制(在力学刺激开始0.49 s后开始电刺激)模仿等容收缩时间, 与其他条件相比SERCA2表达增强, 而与静态培养或力、电单独刺激的培养组相比, Akt1表达增强(Morgan & Black 2014). 随后的研究也表明, 进一步改变力和电刺激的加载时间, 会促进收缩力的产生和松弛率的降低, 表明这种类型的系统可用于研究心律失调疾病状态下心肌组织的功能变化(Morgan & Black 2014). ...
... ).具体是通过电场对整个组织施加电刺激, 而通过物理拉伸对心肌组织施加应变刺激.最早的力--电反应器系统是单轴拉伸, 展示了平台的可行性和可调节性(Feng et al. 2005).研究者对第一个生物反应器采取了多种方式的改进, 包括增加测试的样本数量和提高刺激参数的精确度.Morgan等基于先前力学刺激的系统设计了生物反应器单元(Morgan & Black III 2014, Morgan & Black 2014), 进一步在组织周围添加两个单独碳棒来施加电刺激.这种组合系统提供仿生的力--电耦合刺激, 模拟了体内的等容收缩期.原代心肌细胞培养在纤维水凝胶中, 通过"延迟"刺激机制(在力学刺激开始0.49 s后开始电刺激)模仿等容收缩时间, 与其他条件相比SERCA2表达增强, 而与静态培养或力、电单独刺激的培养组相比, Akt1表达增强(Morgan & Black 2014). 随后的研究也表明, 进一步改变力和电刺激的加载时间, 会促进收缩力的产生和松弛率的降低, 表明这种类型的系统可用于研究心律失调疾病状态下心肌组织的功能变化(Morgan & Black 2014). ...
Adeno-associated virus-mediated transduction of VEGF165 improves cardiac tissue viability and functional recovery after permanent coronary occlusion in conscious dogs.
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2006
... 许多研究已表明干细胞向心肌细胞分化和成熟部分是由于心肌细胞释放的相关可溶性因子的作用(即旁分泌作用), 在培养过程中加入这些旁分泌因子可提高干细胞分化成心肌细胞(Feric & Radisic 2016, Ivashchenko et al. 2013, Mummery et al. 2012, Veerman et al. 2015). 基底硬度可以帮助干细胞的分化(Engler et al. 2004, 2006, Roy et al. 2013, Tse & Engler 2011,,Vincent & Engler 2013), 在短时间培养过程中, 基底硬度与其发育早期变化相匹配时在体外能够改善干细胞向心肌细胞分化.实际上, 在基底硬度对人干细胞分化成心肌细胞影响的研究中, 将细胞接种于含有荧光珠的聚丙烯酰胺凝胶上, 并用牵引力显微镜来分析(Hazeltine et al. 2012), 在硬度为100 kPa的凝胶基质上, 相比较原代心肌细胞, 干细胞分化获得的心肌细胞具有更高的收缩应力, 而在4 \(\sim\) 76 kPa硬度的凝胶上没有差异, 表明100 kPa凝胶促进干细胞分化成功能性成熟的心肌细胞. ...
Chronic stretch of engineered heart tissue induces hypertrophy and functional improvement.
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2000
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
Substrate stiffness modulates gene expression and phenotype in neonatal cardiomyocytes in vitro.
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2012
... 目前, 研究者已经初步开发了各种生物反应器用于三维心肌组织周期性拉伸刺激(Birla et al.2007, Black et al. 2009, Cha et al. 2006, Kluge et al. 2011).Eschenhagen团队分别将鼠和鸡心肌细胞包埋于胶原凝胶基底中(Fink et al. 2000, Zimmermann et al. 2000)并进行拉伸, 结果表明拉伸刺激后心肌组织的功能有所改善.Zimmerman等设计管道状组织工程结构, 心肌组织实现0.51 mN的最大收缩幅度, 并且随着培养时间加长收缩力加强, 心肌组织表现出一种主动--长度和被动力--频率的关系, 表明获得的工程化心肌组织类似于体内组织(Zimmermann et al. 2000).在类似研究中, 将鸡心肌细胞包埋在胶原凝胶中, 对心肌组织施加单向周期性拉伸, 四天后心肌细胞长径比、肌丝长度和线粒体密度均有增加, 代谢活动增强, 肌节$\alpha $-actinin表达增加40% (Fink et al. 2000). 整体而言, 力学拉伸对三维心肌组织表型成熟化至关重要, 但结果中并没有报道拉伸幅度和频率导致的最大收缩力.研究者随后对该设计进行改进, 设计环形结构实现更好的参数控制, 在拉伸(10%应变、2 Hz)7 d后观察到高度有序的肌节以及黏附增加和间隙连接的形成(Zimmermann et al.2002). ...
Akt promotes survival of cardiomyocytes in vitro and protects against ischemia-reperfusion injury in mouse heart.
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2000
... 如在前几个小时内心肌细胞收缩的暂时变化可以部分归因于基底本身的黏附水平以及心肌成纤维细胞的重塑.总的来说, 这些结果证明硬度对于心肌细胞成熟起着重要的作用, 它可以在时间上改变生长因子或小分子的递送(Bajaj et al. 2010, Forte et al.2012, Galie et al. 2013, Hazeltine et al. 2012, Rodriguez et al.2011). ...
Mechanically stimulated contraction of engineered cardiac constructs using a microcantilever. Biomedical Engineering,
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2015
... 最近有研究利用磁性纳米颗粒对三维大孔海藻酸盐支架中的细胞施加力学刺激(Sapir et al.2014).通过外部提供5 Hz的交变磁场对接种有心肌细胞的大孔支架施加力学加载.相比无力学刺激组, 在短期(20 min)外部磁场刺激下, 心肌组织形成了更多各向异性的条纹纤维状结构, 且蛋白激酶磷酸化增加(与肥大相关(DeBosch et al. 2006, Fujio et al. 2000, Sapir et al. 2014, Schaub et al. 1997, Shiojima et al. 2002)). 在刺激和无刺激下组织p38促分裂活化蛋白激酶表达无明显差异.因此, 基于以上结果需要通过优化材料和刺激参数进一步的研究磁场刺激对细胞功能的影响. ...
... 此外, 研究者也将电刺激与小分子结合, 如将小分子的传递、整合素结合的改变, 或材料表面结构特性的调控、生长因子的传递与电刺激结合. 例如, IGF-1可以防止心肌细胞肥厚, 并在氧化应激以及受损后改善心肌生存状态(Fujio et al. 2000, Huynh et al. 2010, Kajstura et al. 2001, Mehrhof et al. 2001, Park et al. 2014). 相比于单独施加电刺激或添加IGF-1, 对有序PGS支架接种的心肌细胞施加8 d双因子刺激后(2 ms持续时间、5 V/cm振幅、1 Hz频率), 细胞直径显著增大且Cx-43表有所提高(Park et al. 2014). ...
Substrate stiffness affects sarcomere and costamere structure and electrophysiological function of isolated adult cardiomyocytes.
2
2013
... Legant等将凝胶悬浮在两个平行的PDMS柱子之间(Galie et al. 2015, Legant et al. 2009), 柱子的偏转可以测定水凝胶中细胞产生的收缩力.考虑到心肌细胞有限的重塑和增殖能力, 在构建的生物组织中共培养心肌成纤维细胞是非常必要的(Galie & Stegemann 2011, Porter & Turner 2009, Sullivan & Black 2013). 通过近一步改进, 实现在较大结构组织(Galie et al. 2015)、微结构组织(Boudou et al. 2012)、锯齿状三维胶原结构中包埋心肌细胞和心肌成纤维细胞, 通过原子力显微镜尖端施加不同大小振幅和频率刺激, 增强了组织的收缩力. 这些实验只研究了0.5 \(\sim\) 2 Hz的加载频率, 结果发现2 Hz的力学加载可增强心肌细胞表型, 且构建的心肌组织搏动频率保持在1 Hz左右.在另一个生物反应器中可实现周期性拉伸, 多孔胶原材料一边粘在培养皿上, 另一边连接在钢棒上(控制动态拉伸)(Liu et al. 1999), 心肌细胞包埋于胶原中. 经过拉伸刺激后(80 r/min, 14 d)发现胶原基质的形成以及心肌细胞进入胶原的数量均有增加. ...
Simultaneous application of interstitial flow and cyclic mechanical strain to a three-dimensional cell-seeded hydrogel.
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2011
... I型胶原蛋白是成年心肌组织细胞外基质的一种丰富的蛋白, 但与心肌细胞结合的基膜含有大量的层粘连蛋白.研究者用层粘连蛋白覆盖基底培养心肌细胞, 发现心肌细胞力学转导信号与在胶原覆盖基底上结果不完全相同.在柔软的(7 kPa)层粘连蛋白覆盖的聚二甲基硅氧烷(PDMS)上的心肌细胞, 培养48 h后表现出有序的肌节结构, 但在中间硬度材料上表达不足(117 kPa, 27 kPa) (Galie et al. 2013).然而, 在硬度更高基底上的心肌细胞也会出现有序的肌节结构(255 kPa) (Galie et al. 2013). 另外, $\alpha$-actinin在不同硬度基质上的表达量无明显差异(Galie et al. 2013), 表明硬度对肌动蛋白的产生没有影响, 但对细胞内蛋白形成的结构有影响.另一研究将心肌细胞短时间培养在硬度为10 kPa和200 kPa的基底上, 细胞出现非常有序的肌节结构$( \leq 48$ h).RT-qPCR结果显示在硬度为27 kPa凝胶中$\alpha$-actinin的mRNA表达增加, 整合素$\beta 1$和黏着斑表达上调, 表明心肌细胞在体外48 h培养期间试图恢复丢失的结构和功能(Walker et al. 2011).这些结果表明基底硬度会影响心肌细胞的基因和功能蛋白的表达, 并且还影响细胞活性和蛋白的后处理, 如磷酸化、泛素化和降解(Hidalgo et al.2009, Kruger et al. 2009). ...
... ).然而, 在硬度更高基底上的心肌细胞也会出现有序的肌节结构(255 kPa) (Galie et al. 2013). 另外, $\alpha$-actinin在不同硬度基质上的表达量无明显差异(Galie et al. 2013), 表明硬度对肌动蛋白的产生没有影响, 但对细胞内蛋白形成的结构有影响.另一研究将心肌细胞短时间培养在硬度为10 kPa和200 kPa的基底上, 细胞出现非常有序的肌节结构$( \leq 48$ h).RT-qPCR结果显示在硬度为27 kPa凝胶中$\alpha$-actinin的mRNA表达增加, 整合素$\beta 1$和黏着斑表达上调, 表明心肌细胞在体外48 h培养期间试图恢复丢失的结构和功能(Walker et al. 2011).这些结果表明基底硬度会影响心肌细胞的基因和功能蛋白的表达, 并且还影响细胞活性和蛋白的后处理, 如磷酸化、泛素化和降解(Hidalgo et al.2009, Kruger et al. 2009). ...
... ). 另外, $\alpha$-actinin在不同硬度基质上的表达量无明显差异(Galie et al. 2013), 表明硬度对肌动蛋白的产生没有影响, 但对细胞内蛋白形成的结构有影响.另一研究将心肌细胞短时间培养在硬度为10 kPa和200 kPa的基底上, 细胞出现非常有序的肌节结构$( \leq 48$ h).RT-qPCR结果显示在硬度为27 kPa凝胶中$\alpha$-actinin的mRNA表达增加, 整合素$\beta 1$和黏着斑表达上调, 表明心肌细胞在体外48 h培养期间试图恢复丢失的结构和功能(Walker et al. 2011).这些结果表明基底硬度会影响心肌细胞的基因和功能蛋白的表达, 并且还影响细胞活性和蛋白的后处理, 如磷酸化、泛素化和降解(Hidalgo et al.2009, Kruger et al. 2009). ...
... 除此之外, 研究者还发现二维培养中基底硬度对心肌细胞收缩率、产生的应力和钙处理均有影响(Galie et al.2013, Hazeltine et al. 2012, Rodriguez et al. 2011).Galie等研究发现硬度不仅影响心肌细胞内产生的主动收缩力, 而且会影响收缩应变. 此外, 这些参数短暂的变化表明心肌细胞在体外响应是自适应的, 随时间变化而发生改变. Bajaj等的研究结果与之相似, 将鸡胚心肌细胞接种于层粘连蛋白覆盖的聚丙烯酰胺凝胶, 在最初24 h内基底硬度对心肌细胞搏动的频率产生显著的影响(硬度为18 kPa基底比1 kPa和50 kPa和培养板培养效果好)(Bajaj et al. 2010). 然而, 5 d后心肌细胞反应是不依赖于基底硬度, 这表明心肌细胞黏附, 心肌成纤维细胞的调节功能以及细胞与细胞之间接触可以克服二维体外培养时最初的影响. ...
... 如在前几个小时内心肌细胞收缩的暂时变化可以部分归因于基底本身的黏附水平以及心肌成纤维细胞的重塑.总的来说, 这些结果证明硬度对于心肌细胞成熟起着重要的作用, 它可以在时间上改变生长因子或小分子的递送(Bajaj et al. 2010, Forte et al.2012, Galie et al. 2013, Hazeltine et al. 2012, Rodriguez et al.2011). ...
Extracellular matrix: A dynamic microenvironment for stem cell niche.
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2014
... Legant等将凝胶悬浮在两个平行的PDMS柱子之间(Galie et al. 2015, Legant et al. 2009), 柱子的偏转可以测定水凝胶中细胞产生的收缩力.考虑到心肌细胞有限的重塑和增殖能力, 在构建的生物组织中共培养心肌成纤维细胞是非常必要的(Galie & Stegemann 2011, Porter & Turner 2009, Sullivan & Black 2013). 通过近一步改进, 实现在较大结构组织(Galie et al. 2015)、微结构组织(Boudou et al. 2012)、锯齿状三维胶原结构中包埋心肌细胞和心肌成纤维细胞, 通过原子力显微镜尖端施加不同大小振幅和频率刺激, 增强了组织的收缩力. 这些实验只研究了0.5 \(\sim\) 2 Hz的加载频率, 结果发现2 Hz的力学加载可增强心肌细胞表型, 且构建的心肌组织搏动频率保持在1 Hz左右.在另一个生物反应器中可实现周期性拉伸, 多孔胶原材料一边粘在培养皿上, 另一边连接在钢棒上(控制动态拉伸)(Liu et al. 1999), 心肌细胞包埋于胶原中. 经过拉伸刺激后(80 r/min, 14 d)发现胶原基质的形成以及心肌细胞进入胶原的数量均有增加. ...
Mesenchymal stem cells ability to generate traction stress in response to substrate stiffness is modulated by the changing extracellular matrix composition of the heart during development.
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2013
... 水凝胶的硬度调控范围很大, 非常有利于模拟体内心肌生理或病理力学微环境如图2(a) (Dawson et al.2008).通过改变聚合物的相对分子质量、浓度和交联密度可以合成不同硬度的水凝胶, 最小硬度仅为0.2 \(\sim\) 0.4 kPa(含水率99.5%), 最大硬度可达200 kPa (Gattazzo et al. 2014, Nava et al. 2012).心肌细胞和干细胞在不同硬度的水凝胶中的细胞学行为、功能及分化特性都不相同.例如, 将心肌细胞接种于不同硬度的聚丙烯酰胺凝胶与0.5 mg/mL鼠尾I型胶原共价偶联混合物表面(1 kPa, 10 kPa和50 kPa), 发现心肌细胞在10 kPa(类似胚胎组织硬度)的凝胶表面出现有序条纹, 而在硬度50 kPa的凝胶上出现无序条纹, 这一结果表明体外基底硬度与体内力学微环境不匹配很可能会引起不正常的细胞响应(Jacot et al.2008). ...
Engineered approaches to the stem cell microenvironment for cardiac tissue regeneration.
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2011
... 心肌层之间呈纵横交错排布(LeGrice et al. 1995), 层内的心肌细胞通过胞外的黏合带和细胞桥粒连接, 并通过这些连接蛋白与胞内细胞骨架的肌动蛋白和肌节蛋白连接.尽管单个心肌细胞每次收缩只发生10%左右的形变, 仅产生约几十纳牛的收缩力(Tung & Parikh 1991), 但心肌层间的这种复杂结构足以将使心腔产生较大的变形来对抗腔内的高压.另外, 心肌组织的力学特性在整个发育过程中呈动态变化(Gershlak et al. 2013, Jacot et al. 2010).研究者利用原子力学显微镜对小鼠心脏硬度进行测量, 发现出生后心肌组织急剧变硬(胚胎为约12 kPa、新生鼠为约39 kPa)(Jacot et al. 2010), 这一结果与利用单轴拉伸法测得的心肌组织力学特性一致(胚胎为约10 kPa、新生鼠/成年鼠为约20 kPa)(Gershlak et al. 2013). 心肌组织弹性模量的变化与功能改变密切相关, 例如研究者发现基底硬度不仅影响心肌细胞内产生的主动收缩力, 而且会影响收缩应变, 并对心肌细胞的搏动频率产生显著的影响(Tallawi et al.2015). ...
... ), 这一结果与利用单轴拉伸法测得的心肌组织力学特性一致(胚胎为约10 kPa、新生鼠/成年鼠为约20 kPa)(Gershlak et al. 2013). 心肌组织弹性模量的变化与功能改变密切相关, 例如研究者发现基底硬度不仅影响心肌细胞内产生的主动收缩力, 而且会影响收缩应变, 并对心肌细胞的搏动频率产生显著的影响(Tallawi et al.2015). ...
Patterning, prestress, and peeling dynamics of myocytes.
1
2004
... 组织工程和再生医学的出现与发展为体外构建具有生理功能的组织和器官带来了希望, 为受损心肌的修复提供了可能(Hench & Polak 2002). 目前, 研究者已研发了多种方法用于工程化心肌组织的体外构建, 主要包括水凝胶法和多孔支架法. 水凝胶法是将细胞包裹于水凝胶内部, 而多孔支架法是将细胞接种于通过静电纺丝或微纳制造等技术制备的模拟细胞外基质(ECM)的材料表面.例如, Tranquillo等将心肌细胞包埋在纤维蛋白水凝胶中, 提高了心肌细胞间隙连接蛋白的表达并增强了收缩力, 实现了心肌组织功能的改善(Black III et al. 2009). 与此同时, Akins等将心肌细胞接种于有序的静电纺丝聚氨酯支架材料上, 实现心肌细胞的定向铺展, 更好地模拟了在体心肌细胞的形态(Rockwood et al. 2008).通过支架的设计和构建虽然可以在一定程度上模拟在体心肌的微环境, 改善体外构建心肌组织的表型和功能, 但由于细胞多数只接种于材料表面, 无法完全模拟在体心肌复杂的三维微环境(Ghafar-Zadeh et al. 2011). ...
Connexin 30 is expressed in the mouse sino-atrial node and modulates heart rate.
1
2010
... 由于二维与三维状态下细胞骨架分布不同, 二维条件下的研究结果并不能很好的适用于三维(Abbott 2003).二维培养时, 通过添加小分子或改变表面涂层增加基底硬度可以增强心肌细胞收缩力.但二维培养系统中, 基质的硬度和孔经大小通常是相互关联的, 很难确定硬度、孔径和配体组织对细胞的单一作用(Chaudhuri & Mooney 2012; Engler et al. 2008, 2004, 2006; Griffin et al. 2004; Holle & Engler 2011; Huebsch et al. 2010; Trappmann et al. 2012; Tse & Engler 2011; Young et al. 2012).而三维培养体系中基底硬度的作用相对均匀, 但由于周围复合物的不断形成、整合素结合、细胞骨架重排以及可用性营养更加复杂的原因, 加大了评估这些参数对细胞特定作用的困难.为更好地控制这些参数以促进工程化组织的成熟, 研究者已开始对体外三维培养系统的构建和调控进行系统研究(Chen et al. 2008, Massai et al. 2013, Rangarajan et al. 2014, Shapira-Schweitzer & Seliktar 2007). 越来越多研究发现, 即使没有加载力学刺激, 三维培养系统下也可促进细胞的排列, 提高心肌功能相关的基因和蛋白的表达(Black et al. 2009, Stoppel et al. 2015), 而这些结果在力学刺激后得到了进一步的改善. ...
Effects of stretch and shortening on gene expression in intact myocardium.
2
2014
... 很多研究者利用疾病模型来研究疾病状态下心肌电学相关蛋白的变化.例如, 研究者以斑马鱼和小鼠作为代表研究了电信号在心脏发育过程中的作用.斑马鱼的心脏由两个心室组成, 但其电信号传导机制与人相似(Arrenberg et al.2010; Chi et al. 2010, 2008; Sedmera et al. 2003; Tu & Chi 2012). 电信号的传播主要通过间隙连接完成, 间隙连接在同步动作电位和调节同步收缩发挥重要作用(Ye & Black 2011). 具体来说, 间隙连接家族中连接素(Cxs)的表达和修饰的错误调节可导致心律失常或胚胎早期死亡(Kumai et al.2000, Seki et al. 2015). 小鼠的心肌细胞表达多种间隙链接蛋白(包括Cx30, Cx30.2, Cx40, Cx43, Cx45和Cx46 (Chi et al. 2010, Gros et al. 2010, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Seki et al. 2015)), 其存在对心脏的正常发育至关重要(Beauchamp et al. 2012, Gros et al. 2010, Kirchhoff et al. 1998, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Reaume et al. 1995), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
... , Gros et al. 2010, Kirchhoff et al. 1998, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Reaume et al. 1995), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
2012. Effects of substrate mechanics on contractility of cardiomyocytes generated from human pluripotent stem cells.
3
2012
... 细胞力学微环境的调控对于心肌细胞或组织的生长发育至关重要, 研究者采用不同方法来构建二维(2D)和三维(3D)心肌力学微环境, 进而维持和促进心肌组织表型和功能的成熟(Haggart et al. 2014, Ye et al. 2013, 段翠密等 2006).体外构建力学微环境的方法主要包括材料硬度、静态拉伸、动态拉伸和动态压力(如图3). 构建和调控力学微环境通常有两种机制: (1)调控不同硬度的材料来影响细胞行为; (2)对基底以一定频率进行动态拉伸.这种调控会影响心肌细胞表型、细胞内肌节结构、钙处理以及收缩功能相关的基因和蛋白表达等. ...
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
... ). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
Third-generation biomedical materials.
3
2002
... 除此之外, 研究者还发现二维培养中基底硬度对心肌细胞收缩率、产生的应力和钙处理均有影响(Galie et al.2013, Hazeltine et al. 2012, Rodriguez et al. 2011).Galie等研究发现硬度不仅影响心肌细胞内产生的主动收缩力, 而且会影响收缩应变. 此外, 这些参数短暂的变化表明心肌细胞在体外响应是自适应的, 随时间变化而发生改变. Bajaj等的研究结果与之相似, 将鸡胚心肌细胞接种于层粘连蛋白覆盖的聚丙烯酰胺凝胶, 在最初24 h内基底硬度对心肌细胞搏动的频率产生显著的影响(硬度为18 kPa基底比1 kPa和50 kPa和培养板培养效果好)(Bajaj et al. 2010). 然而, 5 d后心肌细胞反应是不依赖于基底硬度, 这表明心肌细胞黏附, 心肌成纤维细胞的调节功能以及细胞与细胞之间接触可以克服二维体外培养时最初的影响. ...
... 如在前几个小时内心肌细胞收缩的暂时变化可以部分归因于基底本身的黏附水平以及心肌成纤维细胞的重塑.总的来说, 这些结果证明硬度对于心肌细胞成熟起着重要的作用, 它可以在时间上改变生长因子或小分子的递送(Bajaj et al. 2010, Forte et al.2012, Galie et al. 2013, Hazeltine et al. 2012, Rodriguez et al.2011). ...
... 许多研究已表明干细胞向心肌细胞分化和成熟部分是由于心肌细胞释放的相关可溶性因子的作用(即旁分泌作用), 在培养过程中加入这些旁分泌因子可提高干细胞分化成心肌细胞(Feric & Radisic 2016, Ivashchenko et al. 2013, Mummery et al. 2012, Veerman et al. 2015). 基底硬度可以帮助干细胞的分化(Engler et al. 2004, 2006, Roy et al. 2013, Tse & Engler 2011,,Vincent & Engler 2013), 在短时间培养过程中, 基底硬度与其发育早期变化相匹配时在体外能够改善干细胞向心肌细胞分化.实际上, 在基底硬度对人干细胞分化成心肌细胞影响的研究中, 将细胞接种于含有荧光珠的聚丙烯酰胺凝胶上, 并用牵引力显微镜来分析(Hazeltine et al. 2012), 在硬度为100 kPa的凝胶基质上, 相比较原代心肌细胞, 干细胞分化获得的心肌细胞具有更高的收缩应力, 而在4 \(\sim\) 76 kPa硬度的凝胶上没有差异, 表明100 kPa凝胶促进干细胞分化成功能性成熟的心肌细胞. ...
PKC phosphorylation of titin's PEVK element: a novel and conserved pathway for modulating myocardial stiffness.
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2009
... 组织工程和再生医学的出现与发展为体外构建具有生理功能的组织和器官带来了希望, 为受损心肌的修复提供了可能(Hench & Polak 2002). 目前, 研究者已研发了多种方法用于工程化心肌组织的体外构建, 主要包括水凝胶法和多孔支架法. 水凝胶法是将细胞包裹于水凝胶内部, 而多孔支架法是将细胞接种于通过静电纺丝或微纳制造等技术制备的模拟细胞外基质(ECM)的材料表面.例如, Tranquillo等将心肌细胞包埋在纤维蛋白水凝胶中, 提高了心肌细胞间隙连接蛋白的表达并增强了收缩力, 实现了心肌组织功能的改善(Black III et al. 2009). 与此同时, Akins等将心肌细胞接种于有序的静电纺丝聚氨酯支架材料上, 实现心肌细胞的定向铺展, 更好地模拟了在体心肌细胞的形态(Rockwood et al. 2008).通过支架的设计和构建虽然可以在一定程度上模拟在体心肌的微环境, 改善体外构建心肌组织的表型和功能, 但由于细胞多数只接种于材料表面, 无法完全模拟在体心肌复杂的三维微环境(Ghafar-Zadeh et al. 2011). ...
Electrophoretic analysis of multiple forms of rat cardiac myosin: effects of hypophysectomy and thyroxine replacement.
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1978
... I型胶原蛋白是成年心肌组织细胞外基质的一种丰富的蛋白, 但与心肌细胞结合的基膜含有大量的层粘连蛋白.研究者用层粘连蛋白覆盖基底培养心肌细胞, 发现心肌细胞力学转导信号与在胶原覆盖基底上结果不完全相同.在柔软的(7 kPa)层粘连蛋白覆盖的聚二甲基硅氧烷(PDMS)上的心肌细胞, 培养48 h后表现出有序的肌节结构, 但在中间硬度材料上表达不足(117 kPa, 27 kPa) (Galie et al. 2013).然而, 在硬度更高基底上的心肌细胞也会出现有序的肌节结构(255 kPa) (Galie et al. 2013). 另外, $\alpha$-actinin在不同硬度基质上的表达量无明显差异(Galie et al. 2013), 表明硬度对肌动蛋白的产生没有影响, 但对细胞内蛋白形成的结构有影响.另一研究将心肌细胞短时间培养在硬度为10 kPa和200 kPa的基底上, 细胞出现非常有序的肌节结构$( \leq 48$ h).RT-qPCR结果显示在硬度为27 kPa凝胶中$\alpha$-actinin的mRNA表达增加, 整合素$\beta 1$和黏着斑表达上调, 表明心肌细胞在体外48 h培养期间试图恢复丢失的结构和功能(Walker et al. 2011).这些结果表明基底硬度会影响心肌细胞的基因和功能蛋白的表达, 并且还影响细胞活性和蛋白的后处理, 如磷酸化、泛素化和降解(Hidalgo et al.2009, Kruger et al. 2009). ...
More than a feeling: Discovering, understanding, and influencing mechanosensing pathways.
1
2011
... 应力/应变力学微环境构建是指在培养过程中对工程化组织施加力学刺激.Sadoshima等将心肌细胞静态拉伸20%的应变来研究细胞的力学敏感性, 通过northern和3H标记氨基酸吸收的变化来测量肌节、Z-闰盘、整合素、肌膜离子通道、G-蛋白耦合受体对细胞感知环境的影响(Sadoshima et al. 1992).体外力学拉伸是维持兴奋收缩耦合的一个关键因素, 如心肌细胞在静态拉伸培养过程中通过微纤维形成不同的结构或结构以不同角度螺旋、离子通道的活性(Sigurdson et al.1992,Simpson et al. 1995, 1996; 魏严等2009)、黏着斑组成(Sharp et al. 1997)、基因的表达来体现力学刺激对心肌细胞收缩耦合的影响(Van Wamel et al.2000). 在另一研究中(Vandenburgh et al. 1996), 研究者将心肌细胞接种于胶原和层粘连蛋白覆盖的孔板中, 4 d培养过程中逐步增大应变(25%)来验证力学拉伸和整合素在心肌细胞成熟过程中的作用.相比无拉伸状态, 拉伸后的心肌细胞呈现有序排列, 总肌球蛋白重链(MHC)数量、双核细胞的数量和纵向细胞面积均有增加.Vandenberg等推测双核现象和纵向面积的增大与细胞生理肥厚性生长相关, 细胞排列有序以及$\alpha $-MHC和$\beta$-MHC同工型含量提高预示着心肌细胞成熟的促进(Vandenburgh et al. 1996). 然而, 众所周知在发育和成熟过程中MHC呈现从一种同工型转变为另一种同工型的动态平衡(Hoh et al.1978, Nadal-Ginard & Mahdavi 1989), 这些条件下MHC蛋白表达的变化不足以说明促进了心肌细胞成熟. 但是, 这些结果首次强调了力学刺激对心肌细胞生长和成熟的重要性, 为未来构建工程化组织模拟体内心肌组织打下了理论基础. ...
Electrical coupling of isolated cardiomyocyte clusters grown on aligned conductive nanofibrous meshes for their synchronized beating.
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2013
... 由于二维与三维状态下细胞骨架分布不同, 二维条件下的研究结果并不能很好的适用于三维(Abbott 2003).二维培养时, 通过添加小分子或改变表面涂层增加基底硬度可以增强心肌细胞收缩力.但二维培养系统中, 基质的硬度和孔经大小通常是相互关联的, 很难确定硬度、孔径和配体组织对细胞的单一作用(Chaudhuri & Mooney 2012; Engler et al. 2008, 2004, 2006; Griffin et al. 2004; Holle & Engler 2011; Huebsch et al. 2010; Trappmann et al. 2012; Tse & Engler 2011; Young et al. 2012).而三维培养体系中基底硬度的作用相对均匀, 但由于周围复合物的不断形成、整合素结合、细胞骨架重排以及可用性营养更加复杂的原因, 加大了评估这些参数对细胞特定作用的困难.为更好地控制这些参数以促进工程化组织的成熟, 研究者已开始对体外三维培养系统的构建和调控进行系统研究(Chen et al. 2008, Massai et al. 2013, Rangarajan et al. 2014, Shapira-Schweitzer & Seliktar 2007). 越来越多研究发现, 即使没有加载力学刺激, 三维培养系统下也可促进细胞的排列, 提高心肌功能相关的基因和蛋白的表达(Black et al. 2009, Stoppel et al. 2015), 而这些结果在力学刺激后得到了进一步的改善. ...
Harnessing traction-mediated manipulation of the cell/matrix interface to control stem-cell fate.
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2010
... 在体心肌组织处于电信号和力学收缩等因素构成的复杂微环境中.正常生理条件下, 心肌细胞处于硬度正常的三维力学环境中, 且受到节律性力学形变的刺激.节律性电信号从窦房结发出通过细胞间隙连接传播至心肌层细胞, 再通过高导电性的浦肯野纤维传导到心脏其他区域, 最终实现整个心脏的节律性收缩. 在此过程中, 节律性电信号和导电性的浦肯野纤维和间隙连接对心脏的同步搏动至关重要.因此, 要全面模拟在体心肌细胞微环境, 就需要考虑到细胞力--电微环境的重建(如图1).随着先进生物材料(尤其是水凝胶材料)和微纳制造方法的发展, 目前研究者在体外构建细胞力--电微环境及其在功能性心肌组织再生应用方面开展了一系列地研究(Simmons et al.2012). 在细胞力学微环境调控方面, 主要是通过控制基底材料的硬度来模拟生理或病理状态下心肌细胞所处力学微环境(Tallawi et al.2015); 或对接种细胞的支架材料进行仿生力学拉伸刺激来调控动态力学微环境进而促进心肌细胞的功能(Mihic et al.2014).大多数电刺激加载主要通过电极对细胞进行脉冲式的刺激实现的.相比于传统的非导电性支架材料, 接种于导电的微纳复合材料支架上的心肌细胞对电刺激的响应大大提高, 能够更好地传导施加的电信号, 以促进心肌细胞的同步搏动功能(Hsiao et al. 2013). 因此, 体外培养的过程中通过加载仿生力--电刺激重构细胞力--电微环境改善工程化心肌组织的搏动功能, 对力--电信号刺激装置的设计和方法优化是实现成熟的工程化心肌组织的核心. ...
Cardiac-specific IGF-1 receptor transgenic expression protects against cardiac fibrosis and diastolic dysfunction in a mouse model of diabetic cardiomyopathy.
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2010
... 由于二维与三维状态下细胞骨架分布不同, 二维条件下的研究结果并不能很好的适用于三维(Abbott 2003).二维培养时, 通过添加小分子或改变表面涂层增加基底硬度可以增强心肌细胞收缩力.但二维培养系统中, 基质的硬度和孔经大小通常是相互关联的, 很难确定硬度、孔径和配体组织对细胞的单一作用(Chaudhuri & Mooney 2012; Engler et al. 2008, 2004, 2006; Griffin et al. 2004; Holle & Engler 2011; Huebsch et al. 2010; Trappmann et al. 2012; Tse & Engler 2011; Young et al. 2012).而三维培养体系中基底硬度的作用相对均匀, 但由于周围复合物的不断形成、整合素结合、细胞骨架重排以及可用性营养更加复杂的原因, 加大了评估这些参数对细胞特定作用的困难.为更好地控制这些参数以促进工程化组织的成熟, 研究者已开始对体外三维培养系统的构建和调控进行系统研究(Chen et al. 2008, Massai et al. 2013, Rangarajan et al. 2014, Shapira-Schweitzer & Seliktar 2007). 越来越多研究发现, 即使没有加载力学刺激, 三维培养系统下也可促进细胞的排列, 提高心肌功能相关的基因和蛋白的表达(Black et al. 2009, Stoppel et al. 2015), 而这些结果在力学刺激后得到了进一步的改善. ...
Long-term cyclic distention enhances the mechanical properties of collagen-based media-equivalents.
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2003
... 此外, 研究者也将电刺激与小分子结合, 如将小分子的传递、整合素结合的改变, 或材料表面结构特性的调控、生长因子的传递与电刺激结合. 例如, IGF-1可以防止心肌细胞肥厚, 并在氧化应激以及受损后改善心肌生存状态(Fujio et al. 2000, Huynh et al. 2010, Kajstura et al. 2001, Mehrhof et al. 2001, Park et al. 2014). 相比于单独施加电刺激或添加IGF-1, 对有序PGS支架接种的心肌细胞施加8 d双因子刺激后(2 ms持续时间、5 V/cm振幅、1 Hz频率), 细胞直径显著增大且Cx-43表有所提高(Park et al. 2014). ...
Human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes exhibit temporal changes in phenotype.
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2013
... 为了更真实地模拟在体心肌组织的生理特征, 研究者开发了力学拉伸和电刺激结合的生物反应器(Feng et al. 2005, Isenberg & Tranquillo 2003, Lu et al. 2013, Miklas et al. 2014, Morgan & Black 2014, Wang et al. 2013), 以期将模拟心室填充过程的力学刺激与电刺激结合以实现心肌组织的同步收缩(如图5).具体是通过电场对整个组织施加电刺激, 而通过物理拉伸对心肌组织施加应变刺激.最早的力--电反应器系统是单轴拉伸, 展示了平台的可行性和可调节性(Feng et al. 2005).研究者对第一个生物反应器采取了多种方式的改进, 包括增加测试的样本数量和提高刺激参数的精确度.Morgan等基于先前力学刺激的系统设计了生物反应器单元(Morgan & Black III 2014, Morgan & Black 2014), 进一步在组织周围添加两个单独碳棒来施加电刺激.这种组合系统提供仿生的力--电耦合刺激, 模拟了体内的等容收缩期.原代心肌细胞培养在纤维水凝胶中, 通过"延迟"刺激机制(在力学刺激开始0.49 s后开始电刺激)模仿等容收缩时间, 与其他条件相比SERCA2表达增强, 而与静态培养或力、电单独刺激的培养组相比, Akt1表达增强(Morgan & Black 2014). 随后的研究也表明, 进一步改变力和电刺激的加载时间, 会促进收缩力的产生和松弛率的降低, 表明这种类型的系统可用于研究心律失调疾病状态下心肌组织的功能变化(Morgan & Black 2014). ...
Mechanotransduction gone awry. Nature Reviews.
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2009
... 许多研究已表明干细胞向心肌细胞分化和成熟部分是由于心肌细胞释放的相关可溶性因子的作用(即旁分泌作用), 在培养过程中加入这些旁分泌因子可提高干细胞分化成心肌细胞(Feric & Radisic 2016, Ivashchenko et al. 2013, Mummery et al. 2012, Veerman et al. 2015). 基底硬度可以帮助干细胞的分化(Engler et al. 2004, 2006, Roy et al. 2013, Tse & Engler 2011,,Vincent & Engler 2013), 在短时间培养过程中, 基底硬度与其发育早期变化相匹配时在体外能够改善干细胞向心肌细胞分化.实际上, 在基底硬度对人干细胞分化成心肌细胞影响的研究中, 将细胞接种于含有荧光珠的聚丙烯酰胺凝胶上, 并用牵引力显微镜来分析(Hazeltine et al. 2012), 在硬度为100 kPa的凝胶基质上, 相比较原代心肌细胞, 干细胞分化获得的心肌细胞具有更高的收缩应力, 而在4 \(\sim\) 76 kPa硬度的凝胶上没有差异, 表明100 kPa凝胶促进干细胞分化成功能性成熟的心肌细胞. ...
Mechanobiology of cardiomyocyte development.
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2010
... 与此同时, 心肌组织力学微环境的改变将对心肌细胞的基因、蛋白表达以及细胞间通讯等产生影响.首先, 心肌细胞能够通过细胞膜上的力敏感离子通道(如TRPV4, BK)感受细胞微环境中的静态和动态力学刺激, 激活细胞膜上的电生理和细胞内的生物化学响应, 这个过程成被称为"力化学转导", 这对调控心肌细胞的结构和功能有非常重要的影响. 例如, 研究发现力敏感离子通道对细胞膜的拉伸应变较敏感, 可以通过升高细胞内的钙离子水平来调控其收缩能力(Bett & Sachs 1997, Lammerding et al. 2004); 近年来研究者也发现一些力敏感离子通道如BK通道能够对基质材料的硬度产生响应, 然后通过电压门控钙离子通道影响心肌细胞的收缩和功能(Zhao et al. 2017). 另外, 细胞膜上的多种黏着斑蛋白(如integrin, talin和vinculin)能主动感知基质硬度的变化, 进而调控细胞膜上黏着斑的形成及其相关的下游信号通路(比如受体酪氨酸激酶和GTP酶)(Jaalouk & Lammerding 2009, Zhao et al. 2015), 最终调节心肌细胞的增殖、凋亡、分化和成熟等(Vanichapol et al. 2015). 此外, 力学刺激也会影响心肌成纤维细胞的迁移、分化以及细胞外基质分泌能力.有研究表明, 力学刺激和细胞骨架张力可以通过Rho/ROCK和MAPK/ERK通路对心肌细胞和心肌成纤维细胞产生影响(Sano et al.2001), 而对于这些通路的异常调控将导致先天性缺陷和疾病的发生(Zeidan et al. 2006). ...
Substrate stiffness affects the functional maturation of neonatal rat ventricular myocytes.
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2008
... 心肌层之间呈纵横交错排布(LeGrice et al. 1995), 层内的心肌细胞通过胞外的黏合带和细胞桥粒连接, 并通过这些连接蛋白与胞内细胞骨架的肌动蛋白和肌节蛋白连接.尽管单个心肌细胞每次收缩只发生10%左右的形变, 仅产生约几十纳牛的收缩力(Tung & Parikh 1991), 但心肌层间的这种复杂结构足以将使心腔产生较大的变形来对抗腔内的高压.另外, 心肌组织的力学特性在整个发育过程中呈动态变化(Gershlak et al. 2013, Jacot et al. 2010).研究者利用原子力学显微镜对小鼠心脏硬度进行测量, 发现出生后心肌组织急剧变硬(胚胎为约12 kPa、新生鼠为约39 kPa)(Jacot et al. 2010), 这一结果与利用单轴拉伸法测得的心肌组织力学特性一致(胚胎为约10 kPa、新生鼠/成年鼠为约20 kPa)(Gershlak et al. 2013). 心肌组织弹性模量的变化与功能改变密切相关, 例如研究者发现基底硬度不仅影响心肌细胞内产生的主动收缩力, 而且会影响收缩应变, 并对心肌细胞的搏动频率产生显著的影响(Tallawi et al.2015). ...
... ).研究者利用原子力学显微镜对小鼠心脏硬度进行测量, 发现出生后心肌组织急剧变硬(胚胎为约12 kPa、新生鼠为约39 kPa)(Jacot et al. 2010), 这一结果与利用单轴拉伸法测得的心肌组织力学特性一致(胚胎为约10 kPa、新生鼠/成年鼠为约20 kPa)(Gershlak et al. 2013). 心肌组织弹性模量的变化与功能改变密切相关, 例如研究者发现基底硬度不仅影响心肌细胞内产生的主动收缩力, 而且会影响收缩应变, 并对心肌细胞的搏动频率产生显著的影响(Tallawi et al.2015). ...
Intracardiac pressures in the human fetus.
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2000
... 水凝胶的硬度调控范围很大, 非常有利于模拟体内心肌生理或病理力学微环境如图2(a) (Dawson et al.2008).通过改变聚合物的相对分子质量、浓度和交联密度可以合成不同硬度的水凝胶, 最小硬度仅为0.2 \(\sim\) 0.4 kPa(含水率99.5%), 最大硬度可达200 kPa (Gattazzo et al. 2014, Nava et al. 2012).心肌细胞和干细胞在不同硬度的水凝胶中的细胞学行为、功能及分化特性都不相同.例如, 将心肌细胞接种于不同硬度的聚丙烯酰胺凝胶与0.5 mg/mL鼠尾I型胶原共价偶联混合物表面(1 kPa, 10 kPa和50 kPa), 发现心肌细胞在10 kPa(类似胚胎组织硬度)的凝胶表面出现有序条纹, 而在硬度50 kPa的凝胶上出现无序条纹, 这一结果表明体外基底硬度与体内力学微环境不匹配很可能会引起不正常的细胞响应(Jacot et al.2008). ...
IGF-1 overexpression inhibits the development of diabetic cardiomyopathy and angiotensin II--mediated oxidative stress.
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2001
... 在另一研究中, 研究者对脱细胞心脏支架采用灌注和电刺激结合的方式进行三维心肌组织重建(Momtahan et al.2015, Ott et al. 2008).将心肌细胞接种于老鼠脱细胞的心脏支架后, 通过灌注(在左心房进, 通过主动脉瓣出)充气和放气来填充心室, 实现流体和力学拉伸共同提供力学刺激(Ott et al. 2008). 同时, 通过施加电刺激(1 Hz, 5 \(\sim\) 20 V, 2 ms)以促进细胞之间的力电耦合. 实验结果显示, 培养8 d后, 当刺激频率小于4 Hz时, 心肌组织产生320 Pa(2.4 mmHg)的收缩压(约为成年大鼠心脏功能的2%和人类16周胎儿心脏功能的25%)(Johnson et al. 2000), 但当刺激高于4 Hz时收缩压降低.这项研究表明灌注和电刺激结合在脱细胞心脏体系中的可行性, 以及用它来构建功能性心脏模型的潜能. ...
A clinical commentary on the articles "strategies for tissue engineering cardiac constructs to affect functional repair following myocardial infarction" and "stem cell-based cardiac tissue engineering": repairing, reprogramming, and renewing: the promise of myocardial cytotherapeutics.
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2011
... 此外, 研究者也将电刺激与小分子结合, 如将小分子的传递、整合素结合的改变, 或材料表面结构特性的调控、生长因子的传递与电刺激结合. 例如, IGF-1可以防止心肌细胞肥厚, 并在氧化应激以及受损后改善心肌生存状态(Fujio et al. 2000, Huynh et al. 2010, Kajstura et al. 2001, Mehrhof et al. 2001, Park et al. 2014). 相比于单独施加电刺激或添加IGF-1, 对有序PGS支架接种的心肌细胞施加8 d双因子刺激后(2 ms持续时间、5 V/cm振幅、1 Hz频率), 细胞直径显著增大且Cx-43表有所提高(Park et al. 2014). ...
Sequential crosslinking to control cellular spreading in 3-dimensional hydrogels.
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2009
... 在基于各种材料的三维心肌组织构建研究中, 均显示与电刺激相结合有助于干细胞向心肌细胞表型分化, 并改善心肌细胞的功能(Barash et al. 2010; Chiu et al. 2011; Kapur 2011; Maidhof et al. 2012; Park et al. 2014; Pietronave et al. 2013; Tandon et al. 2009, 2011; Wang et al. 2013).大多数用于细胞培养的生物材料并不具有导电性, 因此需要通过外加电刺激实现心肌组织的同步收缩, 也可通过添加导电材料如碳纳米管和石墨烯等提高支架的导电性(Dvir et al. 2011, Martins et al. 2014, Shin et al. 2013, You et al. 2011, Zhou et al. 2014).Radisic等研究了电刺激在心肌组织形成和成熟中的作用, 将心肌细胞和心肌成纤维细胞包埋于胶原中, 培养3 d后连续5 d施加电脉冲刺激(2 ms、5 V/cm、1 Hz)模拟体内心肌的电学微环境(Zhao et al.2016). 施加电刺激后心肌组织的电信号传导和收缩特性有所改善, 不仅提高了MHC、Cx43、肌酸激酶MM和cTnI的表达, 而且心肌细胞收缩力也有显著增强, 收缩频率增加且实现同步收缩(Zhao et al. 2016). 在另一研究中, 通过使用L型钙通道、间隙连接和PI3K通路阻断剂, 确认了功能性间隙连接、细胞骨架和兴奋收缩耦合是实现组织收缩的必要条件(Zhao et al.2016). 此外, 在培养3 d开始刺激, 防止细胞内心肌蛋白的积累, 限制心肌细胞成熟和收缩(Radisic et al. 2007), 建立了精确的控制刺激条件, 并了解了刺激前、刺激时和刺激后心肌细胞表型的变化. 在另一研究中, 三维心肌组织由单层二维细胞层叠而成, 仅一天的电刺激加载就使层与层之间的电导--收缩耦合明显增强(Shimizu et al.2002), 这表明电刺激可促进心肌组织耦合的过程中建立同步收缩. ...
Nanoscale cues regulate the structure and function of macroscopic cardiac tissue constructs.
1
2009
... 天然水凝胶包括蛋白质(如胶原蛋白、明胶丝和蛋白)和多糖(如透明质酸、琼脂糖和藻酸盐)聚合物, 力学性能较弱且无法控制. 例如, 自组装胶原水凝胶的硬度仅为约1 kPa, 且因不可控降解使其硬度逐渐减小.现有方法主要通过修饰官能团方法来改善水凝胶的稳定性和力学性能(酪胺(Toh et al.2012)、硫醇盐(Young & Engler 2011)和丙烯酸酯(Khetan et al.2009))或者添加其他物质(明胶甲基丙烯酸酯/聚(乙二醇)) (Ma et al. 2015)、透明质酸和胶原蛋白/聚丙烯酰胺(PAA)(Macr\'{\i}-Pellizzeri et al. 2015)). 此外, 也可通过共价交联改变其力学性能. 例如, 聚丙烯酰胺凝胶与0.5 mg/mL鼠尾I型胶原共价交联调节其力学性能.与天然的水凝胶相比, 合成水凝胶的力学性能可实现精准调控, 如PEG, PAA, 聚环氧乙烷(PEO), 聚乙烯醇(PVA)及其衍生物也被用于构建体外细胞的力学微环境. 同时, 生物活性分子包括ECM分泌的多肽、蛋白质片段和生长因子可以通过功能末端(如羟基、羧基和氨基)对合成水凝胶进行修饰来改善其生物相容性. ...
Reduced cardiac conduction velocity and predisposition to arrhythmias in connexin40-deficient mice.
1
1998
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
Bioreactor system using noninvasive imaging and mechanical stretch for biomaterial screening.
1
2011
... 很多研究者利用疾病模型来研究疾病状态下心肌电学相关蛋白的变化.例如, 研究者以斑马鱼和小鼠作为代表研究了电信号在心脏发育过程中的作用.斑马鱼的心脏由两个心室组成, 但其电信号传导机制与人相似(Arrenberg et al.2010; Chi et al. 2010, 2008; Sedmera et al. 2003; Tu & Chi 2012). 电信号的传播主要通过间隙连接完成, 间隙连接在同步动作电位和调节同步收缩发挥重要作用(Ye & Black 2011). 具体来说, 间隙连接家族中连接素(Cxs)的表达和修饰的错误调节可导致心律失常或胚胎早期死亡(Kumai et al.2000, Seki et al. 2015). 小鼠的心肌细胞表达多种间隙链接蛋白(包括Cx30, Cx30.2, Cx40, Cx43, Cx45和Cx46 (Chi et al. 2010, Gros et al. 2010, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Seki et al. 2015)), 其存在对心脏的正常发育至关重要(Beauchamp et al. 2012, Gros et al. 2010, Kirchhoff et al. 1998, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Reaume et al. 1995), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
Remodelling of ionic currents in hypertrophied and failing hearts of transgenic mice overexpressing calsequestrin.
1
2000
... 目前, 研究者已经初步开发了各种生物反应器用于三维心肌组织周期性拉伸刺激(Birla et al.2007, Black et al. 2009, Cha et al. 2006, Kluge et al. 2011).Eschenhagen团队分别将鼠和鸡心肌细胞包埋于胶原凝胶基底中(Fink et al. 2000, Zimmermann et al. 2000)并进行拉伸, 结果表明拉伸刺激后心肌组织的功能有所改善.Zimmerman等设计管道状组织工程结构, 心肌组织实现0.51 mN的最大收缩幅度, 并且随着培养时间加长收缩力加强, 心肌组织表现出一种主动--长度和被动力--频率的关系, 表明获得的工程化心肌组织类似于体内组织(Zimmermann et al. 2000).在类似研究中, 将鸡心肌细胞包埋在胶原凝胶中, 对心肌组织施加单向周期性拉伸, 四天后心肌细胞长径比、肌丝长度和线粒体密度均有增加, 代谢活动增强, 肌节$\alpha $-actinin表达增加40% (Fink et al. 2000). 整体而言, 力学拉伸对三维心肌组织表型成熟化至关重要, 但结果中并没有报道拉伸幅度和频率导致的最大收缩力.研究者随后对该设计进行改进, 设计环形结构实现更好的参数控制, 在拉伸(10%应变、2 Hz)7 d后观察到高度有序的肌节以及黏附增加和间隙连接的形成(Zimmermann et al.2002). ...
Oral administration of surface-deacetylated chitin nanofibers and chitosan inhibit 5-fluorouracil-induced intestinal mucositis in mice.
1
2017
... 心律不齐是心衰患者的重要特征之一(Abraham et al. 2002).心衰或酸碱平衡失调、电解质紊乱等可致心肌出现电重塑, 主要表现为: 复极离散, 动作电位时程(APD)延长, 各向异性增加和电不稳定性, 心肌易发生折返激动和后除极, 最终心衰症状加重(Knollmann et al. 2000). ...
Mechanical stretch activates the stress-activated protein kinases in cardiac myocytes.
1
1996
... 材料的选择取决于支架应用目的. 对于生物组织工程支架来说, 具有良好生物降解性和生物相容性的聚合物是优先之选.具体的选择可根据再生组织以及再生所需时间等因素来进一步确定.在组织工程支架制备中, 应用最多的合成材料是聚酯类, 如(Martins et al. 2017)聚丙交酯(poly lactide, PLA)、聚乙交酯(poly glycolyde, PGA)和聚己内酯(poly caprolactone, PCL). 有时, 具有两种或更多种聚合物性质的材料更为有利. 在这些情况下, 共聚物或聚合物的共混物被选择用于制备纳米纤维材料.目前天然材料如蛋白质或多糖因更易于被细胞识别也特别地受到再生医学领域的关注.迄今, 纤维素(cellulose) (Bhandari et al. 2017)、胶原(collagen)(Nune et al. 2017)、天然丝(natural silk) (Wang et al. 2017)、纤维蛋白原(fibrinogen) (Martins et al. 2017)、壳多糖/脱乙酰壳多糖(chitin/chitosan) (Koizumi et al. 2017)、透明质酸(hyaluronicacid) (Fallacara et al. 2017)等均已经被用于制备纳米纤维支架材料.陈焱等利用静电纺丝技术制备纳米级别的PCL纤维和PCL/gelatin复合型纤维支架研究物理微环境对iPSC向心肌细胞分化的影响及其机制.结果显示三维PCL纳米纤维仿生支架不仅可用于iPSC扩增培养, 还可通过其提供的物理生物信号调节细胞内Wnt$/\beta$-catenin信号活性进而促进iPSC向心肌细胞的分化(陈焱 2015).纯的生物纤维材料的电学性能一般较差, 目前研究者将具有高导电性能的添加物用于提高支架的导电性(如图2(d)), 用于构建电学微环境促进心肌组织成熟. ...
Functional properties of mouse connexin30.2 expressed in the conduction system of the heart.
1
2005
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
Protein kinase G modulates human myocardial passive stiffness by phosphorylation of the titin springs.
2
2009
... 很多研究者利用疾病模型来研究疾病状态下心肌电学相关蛋白的变化.例如, 研究者以斑马鱼和小鼠作为代表研究了电信号在心脏发育过程中的作用.斑马鱼的心脏由两个心室组成, 但其电信号传导机制与人相似(Arrenberg et al.2010; Chi et al. 2010, 2008; Sedmera et al. 2003; Tu & Chi 2012). 电信号的传播主要通过间隙连接完成, 间隙连接在同步动作电位和调节同步收缩发挥重要作用(Ye & Black 2011). 具体来说, 间隙连接家族中连接素(Cxs)的表达和修饰的错误调节可导致心律失常或胚胎早期死亡(Kumai et al.2000, Seki et al. 2015). 小鼠的心肌细胞表达多种间隙链接蛋白(包括Cx30, Cx30.2, Cx40, Cx43, Cx45和Cx46 (Chi et al. 2010, Gros et al. 2010, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Seki et al. 2015)), 其存在对心脏的正常发育至关重要(Beauchamp et al. 2012, Gros et al. 2010, Kirchhoff et al. 1998, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Reaume et al. 1995), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
... , Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Reaume et al. 1995), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
Loss of connexin45 causes a cushion defect in early cardiogenesis.
1
2000
... I型胶原蛋白是成年心肌组织细胞外基质的一种丰富的蛋白, 但与心肌细胞结合的基膜含有大量的层粘连蛋白.研究者用层粘连蛋白覆盖基底培养心肌细胞, 发现心肌细胞力学转导信号与在胶原覆盖基底上结果不完全相同.在柔软的(7 kPa)层粘连蛋白覆盖的聚二甲基硅氧烷(PDMS)上的心肌细胞, 培养48 h后表现出有序的肌节结构, 但在中间硬度材料上表达不足(117 kPa, 27 kPa) (Galie et al. 2013).然而, 在硬度更高基底上的心肌细胞也会出现有序的肌节结构(255 kPa) (Galie et al. 2013). 另外, $\alpha$-actinin在不同硬度基质上的表达量无明显差异(Galie et al. 2013), 表明硬度对肌动蛋白的产生没有影响, 但对细胞内蛋白形成的结构有影响.另一研究将心肌细胞短时间培养在硬度为10 kPa和200 kPa的基底上, 细胞出现非常有序的肌节结构$( \leq 48$ h).RT-qPCR结果显示在硬度为27 kPa凝胶中$\alpha$-actinin的mRNA表达增加, 整合素$\beta 1$和黏着斑表达上调, 表明心肌细胞在体外48 h培养期间试图恢复丢失的结构和功能(Walker et al. 2011).这些结果表明基底硬度会影响心肌细胞的基因和功能蛋白的表达, 并且还影响细胞活性和蛋白的后处理, 如磷酸化、泛素化和降解(Hidalgo et al.2009, Kruger et al. 2009). ...
Heart regeneration.
4
2011
... 很多研究者利用疾病模型来研究疾病状态下心肌电学相关蛋白的变化.例如, 研究者以斑马鱼和小鼠作为代表研究了电信号在心脏发育过程中的作用.斑马鱼的心脏由两个心室组成, 但其电信号传导机制与人相似(Arrenberg et al.2010; Chi et al. 2010, 2008; Sedmera et al. 2003; Tu & Chi 2012). 电信号的传播主要通过间隙连接完成, 间隙连接在同步动作电位和调节同步收缩发挥重要作用(Ye & Black 2011). 具体来说, 间隙连接家族中连接素(Cxs)的表达和修饰的错误调节可导致心律失常或胚胎早期死亡(Kumai et al.2000, Seki et al. 2015). 小鼠的心肌细胞表达多种间隙链接蛋白(包括Cx30, Cx30.2, Cx40, Cx43, Cx45和Cx46 (Chi et al. 2010, Gros et al. 2010, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Seki et al. 2015)), 其存在对心脏的正常发育至关重要(Beauchamp et al. 2012, Gros et al. 2010, Kirchhoff et al. 1998, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Reaume et al. 1995), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
... , Kumai et al. 2000, Seki et al. 2015)), 其存在对心脏的正常发育至关重要(Beauchamp et al. 2012, Gros et al. 2010, Kirchhoff et al. 1998, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Reaume et al. 1995), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
... , Kumai et al. 2000, Reaume et al. 1995), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
... ), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
Microfabricated tissue gauges to measure and manipulate forces from 3D microtissues.
1
2009
... 与此同时, 心肌组织力学微环境的改变将对心肌细胞的基因、蛋白表达以及细胞间通讯等产生影响.首先, 心肌细胞能够通过细胞膜上的力敏感离子通道(如TRPV4, BK)感受细胞微环境中的静态和动态力学刺激, 激活细胞膜上的电生理和细胞内的生物化学响应, 这个过程成被称为"力化学转导", 这对调控心肌细胞的结构和功能有非常重要的影响. 例如, 研究发现力敏感离子通道对细胞膜的拉伸应变较敏感, 可以通过升高细胞内的钙离子水平来调控其收缩能力(Bett & Sachs 1997, Lammerding et al. 2004); 近年来研究者也发现一些力敏感离子通道如BK通道能够对基质材料的硬度产生响应, 然后通过电压门控钙离子通道影响心肌细胞的收缩和功能(Zhao et al. 2017). 另外, 细胞膜上的多种黏着斑蛋白(如integrin, talin和vinculin)能主动感知基质硬度的变化, 进而调控细胞膜上黏着斑的形成及其相关的下游信号通路(比如受体酪氨酸激酶和GTP酶)(Jaalouk & Lammerding 2009, Zhao et al. 2015), 最终调节心肌细胞的增殖、凋亡、分化和成熟等(Vanichapol et al. 2015). 此外, 力学刺激也会影响心肌成纤维细胞的迁移、分化以及细胞外基质分泌能力.有研究表明, 力学刺激和细胞骨架张力可以通过Rho/ROCK和MAPK/ERK通路对心肌细胞和心肌成纤维细胞产生影响(Sano et al.2001), 而对于这些通路的异常调控将导致先天性缺陷和疾病的发生(Zeidan et al. 2006). ...
Laminar structure of the heart: ventricular myocyte arrangement and connective tissue architecture in the dog. American Journal of Physiology-Heart and
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1995
... Legant等将凝胶悬浮在两个平行的PDMS柱子之间(Galie et al. 2015, Legant et al. 2009), 柱子的偏转可以测定水凝胶中细胞产生的收缩力.考虑到心肌细胞有限的重塑和增殖能力, 在构建的生物组织中共培养心肌成纤维细胞是非常必要的(Galie & Stegemann 2011, Porter & Turner 2009, Sullivan & Black 2013). 通过近一步改进, 实现在较大结构组织(Galie et al. 2015)、微结构组织(Boudou et al. 2012)、锯齿状三维胶原结构中包埋心肌细胞和心肌成纤维细胞, 通过原子力显微镜尖端施加不同大小振幅和频率刺激, 增强了组织的收缩力. 这些实验只研究了0.5 \(\sim\) 2 Hz的加载频率, 结果发现2 Hz的力学加载可增强心肌细胞表型, 且构建的心肌组织搏动频率保持在1 Hz左右.在另一个生物反应器中可实现周期性拉伸, 多孔胶原材料一边粘在培养皿上, 另一边连接在钢棒上(控制动态拉伸)(Liu et al. 1999), 心肌细胞包埋于胶原中. 经过拉伸刺激后(80 r/min, 14 d)发现胶原基质的形成以及心肌细胞进入胶原的数量均有增加. ...
Stretch-induced hypertrophy activates NFkB-mediated VEGF secretion in adult cardiomyocytes.
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2011
... 心肌层之间呈纵横交错排布(LeGrice et al. 1995), 层内的心肌细胞通过胞外的黏合带和细胞桥粒连接, 并通过这些连接蛋白与胞内细胞骨架的肌动蛋白和肌节蛋白连接.尽管单个心肌细胞每次收缩只发生10%左右的形变, 仅产生约几十纳牛的收缩力(Tung & Parikh 1991), 但心肌层间的这种复杂结构足以将使心腔产生较大的变形来对抗腔内的高压.另外, 心肌组织的力学特性在整个发育过程中呈动态变化(Gershlak et al. 2013, Jacot et al. 2010).研究者利用原子力学显微镜对小鼠心脏硬度进行测量, 发现出生后心肌组织急剧变硬(胚胎为约12 kPa、新生鼠为约39 kPa)(Jacot et al. 2010), 这一结果与利用单轴拉伸法测得的心肌组织力学特性一致(胚胎为约10 kPa、新生鼠/成年鼠为约20 kPa)(Gershlak et al. 2013). 心肌组织弹性模量的变化与功能改变密切相关, 例如研究者发现基底硬度不仅影响心肌细胞内产生的主动收缩力, 而且会影响收缩应变, 并对心肌细胞的搏动频率产生显著的影响(Tallawi et al.2015). ...
Differential regulation of stiffness, topography, and dimension of substrates in rat mesenchymal stem cells.
3
2013
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
... ).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
... ), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
Directed cardiomyocyte differentiation from human pluripotent stem cells by modulating Wnt/$\beta $-catenin signaling under fully defined conditions.
1
2012
... 虽然目前研究已证实, 通过力学和电学微环境调控对心肌功能及干细胞分化为心肌细胞有着显著的影响, 但其在心肌组织构建中的应用仍然处在起步阶段. 近年来, 已有国外研究者发现能够通过调控干细胞的$\beta $-catenin通路, 来实现高效的干细胞向心肌细胞的分化 (Lian et al. 2012).目前国内研究者在该领域也取得了大量的研究成果, 杨黄恬课题组发现了多个能够影响干细胞向心肌细胞分化的信号通路, 利用细胞因子或基因修饰的方法促进了心肌细胞的分化效率和功能(Cao et al. 2013, Tang et al. 2016); 龙勉课题组开展发现了基质材料的硬度和形貌等力学因素对间充质干细胞分化的影响的研究, 发现可通过调控基质材料的力学微环境来诱导干细胞的分化方向(Li et al. 2013, Lu et al.2014). 研究如何促进心肌细胞的分化, 以及使用干细胞分化得到心肌细胞构建功能化心肌组织的实验方法, 可以推进人源干细胞用于心肌组织工程的进程, 促进工程化心肌组织的临床治疗应用.因此未来需要更多地研究如何利用力学和电学微环境促进干细胞向心肌细胞的分化, 并以此来构建具有临床应用潜力的工程化心肌组织. ...
Mechanism-based facilitated maturation of human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes.
2
2013
... 成熟的心肌组织中, 电信号的激活是通过细胞内外的离子通过电压门控离子通道(如钠离子通道(Nav1.5)或硝酸钾渠道(Kir1.2Kv4.2))交换完成, 这些信号的传导进一步通过间隙连接进行传递.多能干细胞(hiPSC)分化的心肌细胞如果缺乏电压门控离子通道相关蛋白的表达将无法发育为成熟的功能性细胞(Lieu et al.2013). 此外, Cxs表达水平的改变可影响电压门控离子通道的形成, 并引起先天或后天的心律失常(Bierhuizen et al. 2008, Xiong et al. 2015). 例如, 磷酸酶介导的肥厚小鼠模型中, Cx40和Nav1.5下调, 导致心律失常并增加了小鼠的死亡率(Bierhuizen et al. 2008). 此外, 扩张型心肌病患者KCNQ1基因突变会出现室性心动过速, 而KCNQ1基因编码了电压门控钾通道(Xiong et al. 2015). 这些结果表明, 心血管相关的疾病会改变电压门控离子通道相关蛋白和基因的表达, 进而会影响心肌细胞对电信号传导的能力, 最终引起心律失常等疾病. ...
... 虽然目前研究已证实, 通过力学和电学微环境调控对心肌功能及干细胞分化为心肌细胞有着显著的影响, 但其在心肌组织构建中的应用仍然处在起步阶段. 近年来, 已有国外研究者发现能够通过调控干细胞的$\beta $-catenin通路, 来实现高效的干细胞向心肌细胞的分化 (Lian et al. 2012).目前国内研究者在该领域也取得了大量的研究成果, 杨黄恬课题组发现了多个能够影响干细胞向心肌细胞分化的信号通路, 利用细胞因子或基因修饰的方法促进了心肌细胞的分化效率和功能(Cao et al. 2013, Tang et al. 2016); 龙勉课题组开展发现了基质材料的硬度和形貌等力学因素对间充质干细胞分化的影响的研究, 发现可通过调控基质材料的力学微环境来诱导干细胞的分化方向(Li et al. 2013, Lu et al.2014). 研究如何促进心肌细胞的分化, 以及使用干细胞分化得到心肌细胞构建功能化心肌组织的实验方法, 可以推进人源干细胞用于心肌组织工程的进程, 促进工程化心肌组织的临床治疗应用.因此未来需要更多地研究如何利用力学和电学微环境促进干细胞向心肌细胞的分化, 并以此来构建具有临床应用潜力的工程化心肌组织. ...
Bio-stretch, a computerized cell strain apparatus for three-dimensional organotypic cultures.
0
1999
Differential regulation of morphology and stemness of mouse embryonic stem cells by substrate stiffness and topography.
1
2014
... Legant等将凝胶悬浮在两个平行的PDMS柱子之间(Galie et al. 2015, Legant et al. 2009), 柱子的偏转可以测定水凝胶中细胞产生的收缩力.考虑到心肌细胞有限的重塑和增殖能力, 在构建的生物组织中共培养心肌成纤维细胞是非常必要的(Galie & Stegemann 2011, Porter & Turner 2009, Sullivan & Black 2013). 通过近一步改进, 实现在较大结构组织(Galie et al. 2015)、微结构组织(Boudou et al. 2012)、锯齿状三维胶原结构中包埋心肌细胞和心肌成纤维细胞, 通过原子力显微镜尖端施加不同大小振幅和频率刺激, 增强了组织的收缩力. 这些实验只研究了0.5 \(\sim\) 2 Hz的加载频率, 结果发现2 Hz的力学加载可增强心肌细胞表型, 且构建的心肌组织搏动频率保持在1 Hz左右.在另一个生物反应器中可实现周期性拉伸, 多孔胶原材料一边粘在培养皿上, 另一边连接在钢棒上(控制动态拉伸)(Liu et al. 1999), 心肌细胞包埋于胶原中. 经过拉伸刺激后(80 r/min, 14 d)发现胶原基质的形成以及心肌细胞进入胶原的数量均有增加. ...
Design and validation of a bioreactor for simulating the cardiac niche: A system incorporating cyclic stretch, electrical stimulation, and constant perfusion.
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2013
... 虽然目前研究已证实, 通过力学和电学微环境调控对心肌功能及干细胞分化为心肌细胞有着显著的影响, 但其在心肌组织构建中的应用仍然处在起步阶段. 近年来, 已有国外研究者发现能够通过调控干细胞的$\beta $-catenin通路, 来实现高效的干细胞向心肌细胞的分化 (Lian et al. 2012).目前国内研究者在该领域也取得了大量的研究成果, 杨黄恬课题组发现了多个能够影响干细胞向心肌细胞分化的信号通路, 利用细胞因子或基因修饰的方法促进了心肌细胞的分化效率和功能(Cao et al. 2013, Tang et al. 2016); 龙勉课题组开展发现了基质材料的硬度和形貌等力学因素对间充质干细胞分化的影响的研究, 发现可通过调控基质材料的力学微环境来诱导干细胞的分化方向(Li et al. 2013, Lu et al.2014). 研究如何促进心肌细胞的分化, 以及使用干细胞分化得到心肌细胞构建功能化心肌组织的实验方法, 可以推进人源干细胞用于心肌组织工程的进程, 促进工程化心肌组织的临床治疗应用.因此未来需要更多地研究如何利用力学和电学微环境促进干细胞向心肌细胞的分化, 并以此来构建具有临床应用潜力的工程化心肌组织. ...
Bioprinting 3D cell-laden hydrogel microarray for screening human periodontal ligament stem cell response to extracellular matrix.
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2015
... 为了更真实地模拟在体心肌组织的生理特征, 研究者开发了力学拉伸和电刺激结合的生物反应器(Feng et al. 2005, Isenberg & Tranquillo 2003, Lu et al. 2013, Miklas et al. 2014, Morgan & Black 2014, Wang et al. 2013), 以期将模拟心室填充过程的力学刺激与电刺激结合以实现心肌组织的同步收缩(如图5).具体是通过电场对整个组织施加电刺激, 而通过物理拉伸对心肌组织施加应变刺激.最早的力--电反应器系统是单轴拉伸, 展示了平台的可行性和可调节性(Feng et al. 2005).研究者对第一个生物反应器采取了多种方式的改进, 包括增加测试的样本数量和提高刺激参数的精确度.Morgan等基于先前力学刺激的系统设计了生物反应器单元(Morgan & Black III 2014, Morgan & Black 2014), 进一步在组织周围添加两个单独碳棒来施加电刺激.这种组合系统提供仿生的力--电耦合刺激, 模拟了体内的等容收缩期.原代心肌细胞培养在纤维水凝胶中, 通过"延迟"刺激机制(在力学刺激开始0.49 s后开始电刺激)模仿等容收缩时间, 与其他条件相比SERCA2表达增强, 而与静态培养或力、电单独刺激的培养组相比, Akt1表达增强(Morgan & Black 2014). 随后的研究也表明, 进一步改变力和电刺激的加载时间, 会促进收缩力的产生和松弛率的降低, 表明这种类型的系统可用于研究心律失调疾病状态下心肌组织的功能变化(Morgan & Black 2014). ...
Substrate stiffness and composition specifically direct differentiation of induced pluripotent stem cells.
1
2015
... 天然水凝胶包括蛋白质(如胶原蛋白、明胶丝和蛋白)和多糖(如透明质酸、琼脂糖和藻酸盐)聚合物, 力学性能较弱且无法控制. 例如, 自组装胶原水凝胶的硬度仅为约1 kPa, 且因不可控降解使其硬度逐渐减小.现有方法主要通过修饰官能团方法来改善水凝胶的稳定性和力学性能(酪胺(Toh et al.2012)、硫醇盐(Young & Engler 2011)和丙烯酸酯(Khetan et al.2009))或者添加其他物质(明胶甲基丙烯酸酯/聚(乙二醇)) (Ma et al. 2015)、透明质酸和胶原蛋白/聚丙烯酰胺(PAA)(Macr\'{\i}-Pellizzeri et al. 2015)). 此外, 也可通过共价交联改变其力学性能. 例如, 聚丙烯酰胺凝胶与0.5 mg/mL鼠尾I型胶原共价交联调节其力学性能.与天然的水凝胶相比, 合成水凝胶的力学性能可实现精准调控, 如PEG, PAA, 聚环氧乙烷(PEO), 聚乙烯醇(PVA)及其衍生物也被用于构建体外细胞的力学微环境. 同时, 生物活性分子包括ECM分泌的多肽、蛋白质片段和生长因子可以通过功能末端(如羟基、羧基和氨基)对合成水凝胶进行修饰来改善其生物相容性. ...
Biomimetic perfusion and electrical stimulation applied in concert improved the assembly of engineered cardiac tissue.
1
2012
... 天然水凝胶包括蛋白质(如胶原蛋白、明胶丝和蛋白)和多糖(如透明质酸、琼脂糖和藻酸盐)聚合物, 力学性能较弱且无法控制. 例如, 自组装胶原水凝胶的硬度仅为约1 kPa, 且因不可控降解使其硬度逐渐减小.现有方法主要通过修饰官能团方法来改善水凝胶的稳定性和力学性能(酪胺(Toh et al.2012)、硫醇盐(Young & Engler 2011)和丙烯酸酯(Khetan et al.2009))或者添加其他物质(明胶甲基丙烯酸酯/聚(乙二醇)) (Ma et al. 2015)、透明质酸和胶原蛋白/聚丙烯酰胺(PAA)(Macr\'{\i}-Pellizzeri et al. 2015)). 此外, 也可通过共价交联改变其力学性能. 例如, 聚丙烯酰胺凝胶与0.5 mg/mL鼠尾I型胶原共价交联调节其力学性能.与天然的水凝胶相比, 合成水凝胶的力学性能可实现精准调控, 如PEG, PAA, 聚环氧乙烷(PEO), 聚乙烯醇(PVA)及其衍生物也被用于构建体外细胞的力学微环境. 同时, 生物活性分子包括ECM分泌的多肽、蛋白质片段和生长因子可以通过功能末端(如羟基、羧基和氨基)对合成水凝胶进行修饰来改善其生物相容性. ...
G$\alpha $q-mediated activation of GRK2 by mechanical stretch in cardiac myocytes the role of protein kinase C.
2
2010
... 在基于各种材料的三维心肌组织构建研究中, 均显示与电刺激相结合有助于干细胞向心肌细胞表型分化, 并改善心肌细胞的功能(Barash et al. 2010; Chiu et al. 2011; Kapur 2011; Maidhof et al. 2012; Park et al. 2014; Pietronave et al. 2013; Tandon et al. 2009, 2011; Wang et al. 2013).大多数用于细胞培养的生物材料并不具有导电性, 因此需要通过外加电刺激实现心肌组织的同步收缩, 也可通过添加导电材料如碳纳米管和石墨烯等提高支架的导电性(Dvir et al. 2011, Martins et al. 2014, Shin et al. 2013, You et al. 2011, Zhou et al. 2014).Radisic等研究了电刺激在心肌组织形成和成熟中的作用, 将心肌细胞和心肌成纤维细胞包埋于胶原中, 培养3 d后连续5 d施加电脉冲刺激(2 ms、5 V/cm、1 Hz)模拟体内心肌的电学微环境(Zhao et al.2016). 施加电刺激后心肌组织的电信号传导和收缩特性有所改善, 不仅提高了MHC、Cx43、肌酸激酶MM和cTnI的表达, 而且心肌细胞收缩力也有显著增强, 收缩频率增加且实现同步收缩(Zhao et al. 2016). 在另一研究中, 通过使用L型钙通道、间隙连接和PI3K通路阻断剂, 确认了功能性间隙连接、细胞骨架和兴奋收缩耦合是实现组织收缩的必要条件(Zhao et al.2016). 此外, 在培养3 d开始刺激, 防止细胞内心肌蛋白的积累, 限制心肌细胞成熟和收缩(Radisic et al. 2007), 建立了精确的控制刺激条件, 并了解了刺激前、刺激时和刺激后心肌细胞表型的变化. 在另一研究中, 三维心肌组织由单层二维细胞层叠而成, 仅一天的电刺激加载就使层与层之间的电导--收缩耦合明显增强(Shimizu et al.2002), 这表明电刺激可促进心肌组织耦合的过程中建立同步收缩. ...
Functional role of L-type Cav1.3 Ca$^{2 + }$ channels in cardiac pacemaker activity.
1
2003
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
Electrospun nanostructured scaffolds for tissue engineering applications.
1
2017
... 心脏处在一个由节律性电信号介导的动态力--电耦合环境中, 正常的心肌电学微环境对其实现同步收缩和搏动功能至关重要.心脏中约有1%的心肌细胞可自发地产生节律性兴奋(称为起搏细胞), 构成了负责生成电脉冲或动作电位的窦房结, 来启动整个心脏的搏动(DiFrancesco & Tortora 1991, Dorn et al. 2015, Fahrenbach et al. 2007, Mangoni et al. 2003, Mesirca et al. 2015).窦房结产生的电兴奋首先通过电传播速率较快的节间束传播到右、左心房(传播速度为约0.4 m/s), 引起心房区域的搏动; 然后通过导电速率较慢的房室交界区(约0.02 m/s)传播至心室区, 使得心房和心室的动作电位产生了时间间隔, 引起心房和心室节律性收缩的先后次序; 心室区域的电信号首先通过房室束(约1 m/s)传播, 然后通过具有网络状结构的浦肯野纤维(2 \(\sim\) 3 m/s)将电信号传播至心室的各个部分, 引起心室区域的同步搏动.由于电信号传播至左、右心室的传导路径相似且导电速率非常高, 所以左右心室几乎同时收缩, 形成功能上的合胞体. ...
Electrically conductive chitosan/carbon scaffolds for cardiac tissue engineering.
2
2014
... 材料的选择取决于支架应用目的. 对于生物组织工程支架来说, 具有良好生物降解性和生物相容性的聚合物是优先之选.具体的选择可根据再生组织以及再生所需时间等因素来进一步确定.在组织工程支架制备中, 应用最多的合成材料是聚酯类, 如(Martins et al. 2017)聚丙交酯(poly lactide, PLA)、聚乙交酯(poly glycolyde, PGA)和聚己内酯(poly caprolactone, PCL). 有时, 具有两种或更多种聚合物性质的材料更为有利. 在这些情况下, 共聚物或聚合物的共混物被选择用于制备纳米纤维材料.目前天然材料如蛋白质或多糖因更易于被细胞识别也特别地受到再生医学领域的关注.迄今, 纤维素(cellulose) (Bhandari et al. 2017)、胶原(collagen)(Nune et al. 2017)、天然丝(natural silk) (Wang et al. 2017)、纤维蛋白原(fibrinogen) (Martins et al. 2017)、壳多糖/脱乙酰壳多糖(chitin/chitosan) (Koizumi et al. 2017)、透明质酸(hyaluronicacid) (Fallacara et al. 2017)等均已经被用于制备纳米纤维支架材料.陈焱等利用静电纺丝技术制备纳米级别的PCL纤维和PCL/gelatin复合型纤维支架研究物理微环境对iPSC向心肌细胞分化的影响及其机制.结果显示三维PCL纳米纤维仿生支架不仅可用于iPSC扩增培养, 还可通过其提供的物理生物信号调节细胞内Wnt$/\beta$-catenin信号活性进而促进iPSC向心肌细胞的分化(陈焱 2015).纯的生物纤维材料的电学性能一般较差, 目前研究者将具有高导电性能的添加物用于提高支架的导电性(如图2(d)), 用于构建电学微环境促进心肌组织成熟. ...
... )、纤维蛋白原(fibrinogen) (Martins et al. 2017)、壳多糖/脱乙酰壳多糖(chitin/chitosan) (Koizumi et al. 2017)、透明质酸(hyaluronicacid) (Fallacara et al. 2017)等均已经被用于制备纳米纤维支架材料.陈焱等利用静电纺丝技术制备纳米级别的PCL纤维和PCL/gelatin复合型纤维支架研究物理微环境对iPSC向心肌细胞分化的影响及其机制.结果显示三维PCL纳米纤维仿生支架不仅可用于iPSC扩增培养, 还可通过其提供的物理生物信号调节细胞内Wnt$/\beta$-catenin信号活性进而促进iPSC向心肌细胞的分化(陈焱 2015).纯的生物纤维材料的电学性能一般较差, 目前研究者将具有高导电性能的添加物用于提高支架的导电性(如图2(d)), 用于构建电学微环境促进心肌组织成熟. ...
Bioreactors as engineering support to treat cardiac muscle and vascular disease.
1
2013
... 在基于各种材料的三维心肌组织构建研究中, 均显示与电刺激相结合有助于干细胞向心肌细胞表型分化, 并改善心肌细胞的功能(Barash et al. 2010; Chiu et al. 2011; Kapur 2011; Maidhof et al. 2012; Park et al. 2014; Pietronave et al. 2013; Tandon et al. 2009, 2011; Wang et al. 2013).大多数用于细胞培养的生物材料并不具有导电性, 因此需要通过外加电刺激实现心肌组织的同步收缩, 也可通过添加导电材料如碳纳米管和石墨烯等提高支架的导电性(Dvir et al. 2011, Martins et al. 2014, Shin et al. 2013, You et al. 2011, Zhou et al. 2014).Radisic等研究了电刺激在心肌组织形成和成熟中的作用, 将心肌细胞和心肌成纤维细胞包埋于胶原中, 培养3 d后连续5 d施加电脉冲刺激(2 ms、5 V/cm、1 Hz)模拟体内心肌的电学微环境(Zhao et al.2016). 施加电刺激后心肌组织的电信号传导和收缩特性有所改善, 不仅提高了MHC、Cx43、肌酸激酶MM和cTnI的表达, 而且心肌细胞收缩力也有显著增强, 收缩频率增加且实现同步收缩(Zhao et al. 2016). 在另一研究中, 通过使用L型钙通道、间隙连接和PI3K通路阻断剂, 确认了功能性间隙连接、细胞骨架和兴奋收缩耦合是实现组织收缩的必要条件(Zhao et al.2016). 此外, 在培养3 d开始刺激, 防止细胞内心肌蛋白的积累, 限制心肌细胞成熟和收缩(Radisic et al. 2007), 建立了精确的控制刺激条件, 并了解了刺激前、刺激时和刺激后心肌细胞表型的变化. 在另一研究中, 三维心肌组织由单层二维细胞层叠而成, 仅一天的电刺激加载就使层与层之间的电导--收缩耦合明显增强(Shimizu et al.2002), 这表明电刺激可促进心肌组织耦合的过程中建立同步收缩. ...
Induction of atrial natriuretic factor and myosin light chain-2 gene expression in cultured ventricular myocytes by electrical stimulation of contraction.
1
1992
... 由于二维与三维状态下细胞骨架分布不同, 二维条件下的研究结果并不能很好的适用于三维(Abbott 2003).二维培养时, 通过添加小分子或改变表面涂层增加基底硬度可以增强心肌细胞收缩力.但二维培养系统中, 基质的硬度和孔经大小通常是相互关联的, 很难确定硬度、孔径和配体组织对细胞的单一作用(Chaudhuri & Mooney 2012; Engler et al. 2008, 2004, 2006; Griffin et al. 2004; Holle & Engler 2011; Huebsch et al. 2010; Trappmann et al. 2012; Tse & Engler 2011; Young et al. 2012).而三维培养体系中基底硬度的作用相对均匀, 但由于周围复合物的不断形成、整合素结合、细胞骨架重排以及可用性营养更加复杂的原因, 加大了评估这些参数对细胞特定作用的困难.为更好地控制这些参数以促进工程化组织的成熟, 研究者已开始对体外三维培养系统的构建和调控进行系统研究(Chen et al. 2008, Massai et al. 2013, Rangarajan et al. 2014, Shapira-Schweitzer & Seliktar 2007). 越来越多研究发现, 即使没有加载力学刺激, 三维培养系统下也可促进细胞的排列, 提高心肌功能相关的基因和蛋白的表达(Black et al. 2009, Stoppel et al. 2015), 而这些结果在力学刺激后得到了进一步的改善. ...
Cardiac hypertrophy: sorting out the circuitry.
0
1999
In cardiomyocyte hypoxia, insulin-like growth factor-I-induced antiapoptotic signaling requires phosphatidylinositol-3-OH- kinase- dependent and mitogen-activated protein kinase-dependent activation of the transcription factor cAMP response element-binding protein.
2
2001
... 在过去十几年, 研究发现能够通过电刺激在体外构建成熟的心肌组织(Brevet et al. 1976, McDonough & Glembotski 1992), 主要通过激活许多通路使细胞产生一系列生理反应, 如转录因子的激活、钙处理、氧化应激反应、蛋白激酶的表达和激活和磷酸酶的激活.转录因子如NFAT3, GATA4, NRF-1 (核呼吸因子), c-Jun和铬黄C对心肌细胞生长成熟、细胞内线粒体增殖以及祖细胞分化过程都非常重要(Xia et al.1998, Xia et al. 2000).电刺激通过激活CaMK通路调节心肌细胞的钙处理能力和应激反应(Ca$^{2 +}$/依赖钙调蛋白激酶) (McKinsey & Olson 1999, Passier et al. 2000, Xia et al. 2000).CaMK-I和CaMK-IV的激活可引起磷酸酯酶的激活(如钙调神经磷酸酶), 但是当发生过表达时最终会导致病理性肥大(McKinsey & Olson 1999, Passier et al. 2000).这些结果可以明确导致病理发生的电信号持续时间, 以此更清楚地设计体外培养的方法来研究生理或病理反应过程. ...
Functional role of voltage gated Ca(2+) channels in heart automaticity.
1
2015
... 此外, 研究者也将电刺激与小分子结合, 如将小分子的传递、整合素结合的改变, 或材料表面结构特性的调控、生长因子的传递与电刺激结合. 例如, IGF-1可以防止心肌细胞肥厚, 并在氧化应激以及受损后改善心肌生存状态(Fujio et al. 2000, Huynh et al. 2010, Kajstura et al. 2001, Mehrhof et al. 2001, Park et al. 2014). 相比于单独施加电刺激或添加IGF-1, 对有序PGS支架接种的心肌细胞施加8 d双因子刺激后(2 ms持续时间、5 V/cm振幅、1 Hz频率), 细胞直径显著增大且Cx-43表有所提高(Park et al. 2014). ...
A conductive polymer hydrogel supports cell electrical signaling and improves cardiac function after implantation into myocardial infarct.
1
2015
... 心脏处在一个由节律性电信号介导的动态力--电耦合环境中, 正常的心肌电学微环境对其实现同步收缩和搏动功能至关重要.心脏中约有1%的心肌细胞可自发地产生节律性兴奋(称为起搏细胞), 构成了负责生成电脉冲或动作电位的窦房结, 来启动整个心脏的搏动(DiFrancesco & Tortora 1991, Dorn et al. 2015, Fahrenbach et al. 2007, Mangoni et al. 2003, Mesirca et al. 2015).窦房结产生的电兴奋首先通过电传播速率较快的节间束传播到右、左心房(传播速度为约0.4 m/s), 引起心房区域的搏动; 然后通过导电速率较慢的房室交界区(约0.02 m/s)传播至心室区, 使得心房和心室的动作电位产生了时间间隔, 引起心房和心室节律性收缩的先后次序; 心室区域的电信号首先通过房室束(约1 m/s)传播, 然后通过具有网络状结构的浦肯野纤维(2 \(\sim\) 3 m/s)将电信号传播至心室的各个部分, 引起心室区域的同步搏动.由于电信号传播至左、右心室的传导路径相似且导电速率非常高, 所以左右心室几乎同时收缩, 形成功能上的合胞体. ...
The effect of cyclic stretch on maturation and 3D tissue formation of human embryonic stem cell-derived cardiomyocytes.
2
2014
... 在体心肌组织处于电信号和力学收缩等因素构成的复杂微环境中.正常生理条件下, 心肌细胞处于硬度正常的三维力学环境中, 且受到节律性力学形变的刺激.节律性电信号从窦房结发出通过细胞间隙连接传播至心肌层细胞, 再通过高导电性的浦肯野纤维传导到心脏其他区域, 最终实现整个心脏的节律性收缩. 在此过程中, 节律性电信号和导电性的浦肯野纤维和间隙连接对心脏的同步搏动至关重要.因此, 要全面模拟在体心肌细胞微环境, 就需要考虑到细胞力--电微环境的重建(如图1).随着先进生物材料(尤其是水凝胶材料)和微纳制造方法的发展, 目前研究者在体外构建细胞力--电微环境及其在功能性心肌组织再生应用方面开展了一系列地研究(Simmons et al.2012). 在细胞力学微环境调控方面, 主要是通过控制基底材料的硬度来模拟生理或病理状态下心肌细胞所处力学微环境(Tallawi et al.2015); 或对接种细胞的支架材料进行仿生力学拉伸刺激来调控动态力学微环境进而促进心肌细胞的功能(Mihic et al.2014).大多数电刺激加载主要通过电极对细胞进行脉冲式的刺激实现的.相比于传统的非导电性支架材料, 接种于导电的微纳复合材料支架上的心肌细胞对电刺激的响应大大提高, 能够更好地传导施加的电信号, 以促进心肌细胞的同步搏动功能(Hsiao et al. 2013). 因此, 体外培养的过程中通过加载仿生力--电刺激重构细胞力--电微环境改善工程化心肌组织的搏动功能, 对力--电信号刺激装置的设计和方法优化是实现成熟的工程化心肌组织的核心. ...
... 由于细胞之间存在电信号传导与交流, 研究发现电刺激对细胞的影响与细胞微环境的电导率息息相关.大多数传统生物材料导电性较差, 因此近些年新型导电性生物材料得到广泛的开发.一般通过将水凝胶与导电材料(如导电聚合物或低聚物(Mihic et al. 2015)、AuNPs (Dvir et al. 2011)、CNTs (Su et al. 2013)、石墨烯(Annabi et al. 2015))复合来提高水凝胶材料的导电性能如图2(b), 最终用于体外进行电学微环境构建和调控. ...
Bioreactor for modulation of cardiac microtissue phenotype by combined static stretch and electrical stimulation.
1
2014
... 为了更真实地模拟在体心肌组织的生理特征, 研究者开发了力学拉伸和电刺激结合的生物反应器(Feng et al. 2005, Isenberg & Tranquillo 2003, Lu et al. 2013, Miklas et al. 2014, Morgan & Black 2014, Wang et al. 2013), 以期将模拟心室填充过程的力学刺激与电刺激结合以实现心肌组织的同步收缩(如图5).具体是通过电场对整个组织施加电刺激, 而通过物理拉伸对心肌组织施加应变刺激.最早的力--电反应器系统是单轴拉伸, 展示了平台的可行性和可调节性(Feng et al. 2005).研究者对第一个生物反应器采取了多种方式的改进, 包括增加测试的样本数量和提高刺激参数的精确度.Morgan等基于先前力学刺激的系统设计了生物反应器单元(Morgan & Black III 2014, Morgan & Black 2014), 进一步在组织周围添加两个单独碳棒来施加电刺激.这种组合系统提供仿生的力--电耦合刺激, 模拟了体内的等容收缩期.原代心肌细胞培养在纤维水凝胶中, 通过"延迟"刺激机制(在力学刺激开始0.49 s后开始电刺激)模仿等容收缩时间, 与其他条件相比SERCA2表达增强, 而与静态培养或力、电单独刺激的培养组相比, Akt1表达增强(Morgan & Black 2014). 随后的研究也表明, 进一步改变力和电刺激的加载时间, 会促进收缩力的产生和松弛率的降低, 表明这种类型的系统可用于研究心律失调疾病状态下心肌组织的功能变化(Morgan & Black 2014). ...
Strategies and processes to decellularize and recellularize hearts to generate functional organs and reduce the risk of thrombosis.
It's all in the timing: Modeling isovolumic contraction through development and disease with a dynamic dual electromechanical bioreactor system.
1
2014
... 在另一研究中, 研究者对脱细胞心脏支架采用灌注和电刺激结合的方式进行三维心肌组织重建(Momtahan et al.2015, Ott et al. 2008).将心肌细胞接种于老鼠脱细胞的心脏支架后, 通过灌注(在左心房进, 通过主动脉瓣出)充气和放气来填充心室, 实现流体和力学拉伸共同提供力学刺激(Ott et al. 2008). 同时, 通过施加电刺激(1 Hz, 5 \(\sim\) 20 V, 2 ms)以促进细胞之间的力电耦合. 实验结果显示, 培养8 d后, 当刺激频率小于4 Hz时, 心肌组织产生320 Pa(2.4 mmHg)的收缩压(约为成年大鼠心脏功能的2%和人类16周胎儿心脏功能的25%)(Johnson et al. 2000), 但当刺激高于4 Hz时收缩压降低.这项研究表明灌注和电刺激结合在脱细胞心脏体系中的可行性, 以及用它来构建功能性心脏模型的潜能. ...
Mimicking isovolumic contraction with combined electromechanical stimulation improves the development of engineered cardiac constructs.
0
2014
Heart disease and stroke statistics--2015 update: A report from the American Heart Association.
6
2015
... 为了更真实地模拟在体心肌组织的生理特征, 研究者开发了力学拉伸和电刺激结合的生物反应器(Feng et al. 2005, Isenberg & Tranquillo 2003, Lu et al. 2013, Miklas et al. 2014, Morgan & Black 2014, Wang et al. 2013), 以期将模拟心室填充过程的力学刺激与电刺激结合以实现心肌组织的同步收缩(如图5).具体是通过电场对整个组织施加电刺激, 而通过物理拉伸对心肌组织施加应变刺激.最早的力--电反应器系统是单轴拉伸, 展示了平台的可行性和可调节性(Feng et al. 2005).研究者对第一个生物反应器采取了多种方式的改进, 包括增加测试的样本数量和提高刺激参数的精确度.Morgan等基于先前力学刺激的系统设计了生物反应器单元(Morgan & Black III 2014, Morgan & Black 2014), 进一步在组织周围添加两个单独碳棒来施加电刺激.这种组合系统提供仿生的力--电耦合刺激, 模拟了体内的等容收缩期.原代心肌细胞培养在纤维水凝胶中, 通过"延迟"刺激机制(在力学刺激开始0.49 s后开始电刺激)模仿等容收缩时间, 与其他条件相比SERCA2表达增强, 而与静态培养或力、电单独刺激的培养组相比, Akt1表达增强(Morgan & Black 2014). 随后的研究也表明, 进一步改变力和电刺激的加载时间, 会促进收缩力的产生和松弛率的降低, 表明这种类型的系统可用于研究心律失调疾病状态下心肌组织的功能变化(Morgan & Black 2014). ...
... ).研究者对第一个生物反应器采取了多种方式的改进, 包括增加测试的样本数量和提高刺激参数的精确度.Morgan等基于先前力学刺激的系统设计了生物反应器单元(Morgan & Black III 2014, Morgan & Black 2014), 进一步在组织周围添加两个单独碳棒来施加电刺激.这种组合系统提供仿生的力--电耦合刺激, 模拟了体内的等容收缩期.原代心肌细胞培养在纤维水凝胶中, 通过"延迟"刺激机制(在力学刺激开始0.49 s后开始电刺激)模仿等容收缩时间, 与其他条件相比SERCA2表达增强, 而与静态培养或力、电单独刺激的培养组相比, Akt1表达增强(Morgan & Black 2014). 随后的研究也表明, 进一步改变力和电刺激的加载时间, 会促进收缩力的产生和松弛率的降低, 表明这种类型的系统可用于研究心律失调疾病状态下心肌组织的功能变化(Morgan & Black 2014). ...
... , Morgan & Black 2014), 进一步在组织周围添加两个单独碳棒来施加电刺激.这种组合系统提供仿生的力--电耦合刺激, 模拟了体内的等容收缩期.原代心肌细胞培养在纤维水凝胶中, 通过"延迟"刺激机制(在力学刺激开始0.49 s后开始电刺激)模仿等容收缩时间, 与其他条件相比SERCA2表达增强, 而与静态培养或力、电单独刺激的培养组相比, Akt1表达增强(Morgan & Black 2014). 随后的研究也表明, 进一步改变力和电刺激的加载时间, 会促进收缩力的产生和松弛率的降低, 表明这种类型的系统可用于研究心律失调疾病状态下心肌组织的功能变化(Morgan & Black 2014). ...
... ), 进一步在组织周围添加两个单独碳棒来施加电刺激.这种组合系统提供仿生的力--电耦合刺激, 模拟了体内的等容收缩期.原代心肌细胞培养在纤维水凝胶中, 通过"延迟"刺激机制(在力学刺激开始0.49 s后开始电刺激)模仿等容收缩时间, 与其他条件相比SERCA2表达增强, 而与静态培养或力、电单独刺激的培养组相比, Akt1表达增强(Morgan & Black 2014). 随后的研究也表明, 进一步改变力和电刺激的加载时间, 会促进收缩力的产生和松弛率的降低, 表明这种类型的系统可用于研究心律失调疾病状态下心肌组织的功能变化(Morgan & Black 2014). ...
... ). 随后的研究也表明, 进一步改变力和电刺激的加载时间, 会促进收缩力的产生和松弛率的降低, 表明这种类型的系统可用于研究心律失调疾病状态下心肌组织的功能变化(Morgan & Black 2014). ...
Heart disease and stroke statistics---2006 update a report from the American Heart Association Statistics Committee and Stroke Statistics Subcommittee.
0
2006
Differentiation of human embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells to cardiomyocytes: a methods overview.
0
2012
Heart rate variability in heart failure.
1
2003
... 许多研究已表明干细胞向心肌细胞分化和成熟部分是由于心肌细胞释放的相关可溶性因子的作用(即旁分泌作用), 在培养过程中加入这些旁分泌因子可提高干细胞分化成心肌细胞(Feric & Radisic 2016, Ivashchenko et al. 2013, Mummery et al. 2012, Veerman et al. 2015). 基底硬度可以帮助干细胞的分化(Engler et al. 2004, 2006, Roy et al. 2013, Tse & Engler 2011,,Vincent & Engler 2013), 在短时间培养过程中, 基底硬度与其发育早期变化相匹配时在体外能够改善干细胞向心肌细胞分化.实际上, 在基底硬度对人干细胞分化成心肌细胞影响的研究中, 将细胞接种于含有荧光珠的聚丙烯酰胺凝胶上, 并用牵引力显微镜来分析(Hazeltine et al. 2012), 在硬度为100 kPa的凝胶基质上, 相比较原代心肌细胞, 干细胞分化获得的心肌细胞具有更高的收缩应力, 而在4 \(\sim\) 76 kPa硬度的凝胶上没有差异, 表明100 kPa凝胶促进干细胞分化成功能性成熟的心肌细胞. ...
Molecular basis of cardiac performance. Plasticity of the myocardium generated through protein isoform switches.
1
1989
... 鉴于心血管疾病和各种继发症的患病率上升且死亡率增加的趋势(Control & Prevention 2014, Thom et al. 2006), 目前急需建立体外心脏疾病模型, 从而更好地理解发病机制及其寻找有效的治疗手段.可实现力--电加载的生物反应器为体外构建病理状态下的疾病模型, 模拟疾病状态下的力--电微环境, 甚至为疾病的发展过程提供了可能的研究平台.Morgan等设计反应器可调节力学刺激的强度和时间以及电刺激的频率和时间模拟心脏相关疾病, 进而研究疾病状态下心肌细胞的生物学响应.力--电刺激生物反应器系统可调控力--电刺激的时间, 因此能够模仿发育过程中发生病变心肌细胞和心肌组织.比如主动脉瓣狭窄和心脏衰竭等.主动脉瓣狭窄患者主要是主动脉瓣不完全开放, 即保留左心室收缩功能等容收缩时间下降, 左心室收缩功能发生下降时, 等容收缩时间下降.收缩的延迟可能是由于左心室排出血液长时间通过阻塞的主动脉瓣, 导致的结果后负荷增加和收缩减慢.因此可以通过调节延迟外加力学刺激的时间来模拟这一过程.研究者们开发了一些可以制备高通量、微型的体外心肌组织设备(例如微流体通道、微设备和细胞芯片)用于模拟体内心肌组织功能和测试药物及浓度对心肌组织的影响.在一个研究中, 一种芯片被设计用于高通量分析心肌细胞在不同性能基底(排列)或小分子浓度(异丙肾上腺素)时的响应(Agarwal et al.2013). 这个芯片能够连续测量舒张和收缩应力(Agarwal et al. 2013, Wang et al. 2014). 此心肌芯片设备已经应用于诸多方面, 例如疾病模型的发展(巴氏综合症)和药物筛选(Bhatia & Ingber 2014, Chan et al. 2013, Esch et al. 2014), 未来也可以用于干细胞分化和共培养(Farouz et al. 2015). 最后, 另一个优势是可以在体外研究体内的可变性和不规则性.鉴于心率和舒张压变量在大多个人中是多变的, 未来的工作可了解振幅和速率变化在维持组织功能的作用(Cysarz et al. 2007, Musialik-Lydka et al. 2003). ...
2012. Controlling self-renewal and differentiation of stem cells via mechanical cues.
1
2012
... 应力/应变力学微环境构建是指在培养过程中对工程化组织施加力学刺激.Sadoshima等将心肌细胞静态拉伸20%的应变来研究细胞的力学敏感性, 通过northern和3H标记氨基酸吸收的变化来测量肌节、Z-闰盘、整合素、肌膜离子通道、G-蛋白耦合受体对细胞感知环境的影响(Sadoshima et al. 1992).体外力学拉伸是维持兴奋收缩耦合的一个关键因素, 如心肌细胞在静态拉伸培养过程中通过微纤维形成不同的结构或结构以不同角度螺旋、离子通道的活性(Sigurdson et al.1992,Simpson et al. 1995, 1996; 魏严等2009)、黏着斑组成(Sharp et al. 1997)、基因的表达来体现力学刺激对心肌细胞收缩耦合的影响(Van Wamel et al.2000). 在另一研究中(Vandenburgh et al. 1996), 研究者将心肌细胞接种于胶原和层粘连蛋白覆盖的孔板中, 4 d培养过程中逐步增大应变(25%)来验证力学拉伸和整合素在心肌细胞成熟过程中的作用.相比无拉伸状态, 拉伸后的心肌细胞呈现有序排列, 总肌球蛋白重链(MHC)数量、双核细胞的数量和纵向细胞面积均有增加.Vandenberg等推测双核现象和纵向面积的增大与细胞生理肥厚性生长相关, 细胞排列有序以及$\alpha $-MHC和$\beta$-MHC同工型含量提高预示着心肌细胞成熟的促进(Vandenburgh et al. 1996). 然而, 众所周知在发育和成熟过程中MHC呈现从一种同工型转变为另一种同工型的动态平衡(Hoh et al.1978, Nadal-Ginard & Mahdavi 1989), 这些条件下MHC蛋白表达的变化不足以说明促进了心肌细胞成熟. 但是, 这些结果首次强调了力学刺激对心肌细胞生长和成熟的重要性, 为未来构建工程化组织模拟体内心肌组织打下了理论基础. ...
Chapter 11-Electrospinning of collagen nanofiber scaffolds for tissue repair and regeneration.
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2017
... 水凝胶的硬度调控范围很大, 非常有利于模拟体内心肌生理或病理力学微环境如图2(a) (Dawson et al.2008).通过改变聚合物的相对分子质量、浓度和交联密度可以合成不同硬度的水凝胶, 最小硬度仅为0.2 \(\sim\) 0.4 kPa(含水率99.5%), 最大硬度可达200 kPa (Gattazzo et al. 2014, Nava et al. 2012).心肌细胞和干细胞在不同硬度的水凝胶中的细胞学行为、功能及分化特性都不相同.例如, 将心肌细胞接种于不同硬度的聚丙烯酰胺凝胶与0.5 mg/mL鼠尾I型胶原共价偶联混合物表面(1 kPa, 10 kPa和50 kPa), 发现心肌细胞在10 kPa(类似胚胎组织硬度)的凝胶表面出现有序条纹, 而在硬度50 kPa的凝胶上出现无序条纹, 这一结果表明体外基底硬度与体内力学微环境不匹配很可能会引起不正常的细胞响应(Jacot et al.2008). ...
Biowire: A platform for maturation of human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes.
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2013
... 材料的选择取决于支架应用目的. 对于生物组织工程支架来说, 具有良好生物降解性和生物相容性的聚合物是优先之选.具体的选择可根据再生组织以及再生所需时间等因素来进一步确定.在组织工程支架制备中, 应用最多的合成材料是聚酯类, 如(Martins et al. 2017)聚丙交酯(poly lactide, PLA)、聚乙交酯(poly glycolyde, PGA)和聚己内酯(poly caprolactone, PCL). 有时, 具有两种或更多种聚合物性质的材料更为有利. 在这些情况下, 共聚物或聚合物的共混物被选择用于制备纳米纤维材料.目前天然材料如蛋白质或多糖因更易于被细胞识别也特别地受到再生医学领域的关注.迄今, 纤维素(cellulose) (Bhandari et al. 2017)、胶原(collagen)(Nune et al. 2017)、天然丝(natural silk) (Wang et al. 2017)、纤维蛋白原(fibrinogen) (Martins et al. 2017)、壳多糖/脱乙酰壳多糖(chitin/chitosan) (Koizumi et al. 2017)、透明质酸(hyaluronicacid) (Fallacara et al. 2017)等均已经被用于制备纳米纤维支架材料.陈焱等利用静电纺丝技术制备纳米级别的PCL纤维和PCL/gelatin复合型纤维支架研究物理微环境对iPSC向心肌细胞分化的影响及其机制.结果显示三维PCL纳米纤维仿生支架不仅可用于iPSC扩增培养, 还可通过其提供的物理生物信号调节细胞内Wnt$/\beta$-catenin信号活性进而促进iPSC向心肌细胞的分化(陈焱 2015).纯的生物纤维材料的电学性能一般较差, 目前研究者将具有高导电性能的添加物用于提高支架的导电性(如图2(d)), 用于构建电学微环境促进心肌组织成熟. ...
Perfusion-decellularized matrix: Using nature's platform to engineer a bioartificial heart.
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2008
... 研究发现外加电刺激可以使心肌组织产生响应达到同步收缩, 而电信号的这种兴奋收缩耦合对心脏发育和功能有着重要的促进作用.电刺激可以影响心肌细胞动作电位的产生、搏动频率和持续时间, 增加具有自发搏动能力的细胞比例, 促进细胞的同步搏动(如图4), 因此提高了组织的同步性和信号传递, 产生了更大的收缩力(Nunes et al. 2013, S. Zhao et al. 2016).许多研究表明在体外培养的过程中施加电刺激, 干细胞和原代细胞中心肌特异蛋白的表达均呈现阳性结果(王佳南等 2009, 张颖等 2007). 大多数电刺激的装置设计简单, 使用两个电极提供脉冲电场刺激培养基中的心肌细胞(Tandon et al. 2011). ...
Biomimetic scaffold combined with electrical stimulation and growth factor promotes tissue engineered cardiac development.
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2014
... 在另一研究中, 研究者对脱细胞心脏支架采用灌注和电刺激结合的方式进行三维心肌组织重建(Momtahan et al.2015, Ott et al. 2008).将心肌细胞接种于老鼠脱细胞的心脏支架后, 通过灌注(在左心房进, 通过主动脉瓣出)充气和放气来填充心室, 实现流体和力学拉伸共同提供力学刺激(Ott et al. 2008). 同时, 通过施加电刺激(1 Hz, 5 \(\sim\) 20 V, 2 ms)以促进细胞之间的力电耦合. 实验结果显示, 培养8 d后, 当刺激频率小于4 Hz时, 心肌组织产生320 Pa(2.4 mmHg)的收缩压(约为成年大鼠心脏功能的2%和人类16周胎儿心脏功能的25%)(Johnson et al. 2000), 但当刺激高于4 Hz时收缩压降低.这项研究表明灌注和电刺激结合在脱细胞心脏体系中的可行性, 以及用它来构建功能性心脏模型的潜能. ...
CaM kinase signaling induces cardiac hypertrophy and activates the MEF2 transcription factor in vivo.
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2000
... 在基于各种材料的三维心肌组织构建研究中, 均显示与电刺激相结合有助于干细胞向心肌细胞表型分化, 并改善心肌细胞的功能(Barash et al. 2010; Chiu et al. 2011; Kapur 2011; Maidhof et al. 2012; Park et al. 2014; Pietronave et al. 2013; Tandon et al. 2009, 2011; Wang et al. 2013).大多数用于细胞培养的生物材料并不具有导电性, 因此需要通过外加电刺激实现心肌组织的同步收缩, 也可通过添加导电材料如碳纳米管和石墨烯等提高支架的导电性(Dvir et al. 2011, Martins et al. 2014, Shin et al. 2013, You et al. 2011, Zhou et al. 2014).Radisic等研究了电刺激在心肌组织形成和成熟中的作用, 将心肌细胞和心肌成纤维细胞包埋于胶原中, 培养3 d后连续5 d施加电脉冲刺激(2 ms、5 V/cm、1 Hz)模拟体内心肌的电学微环境(Zhao et al.2016). 施加电刺激后心肌组织的电信号传导和收缩特性有所改善, 不仅提高了MHC、Cx43、肌酸激酶MM和cTnI的表达, 而且心肌细胞收缩力也有显著增强, 收缩频率增加且实现同步收缩(Zhao et al. 2016). 在另一研究中, 通过使用L型钙通道、间隙连接和PI3K通路阻断剂, 确认了功能性间隙连接、细胞骨架和兴奋收缩耦合是实现组织收缩的必要条件(Zhao et al.2016). 此外, 在培养3 d开始刺激, 防止细胞内心肌蛋白的积累, 限制心肌细胞成熟和收缩(Radisic et al. 2007), 建立了精确的控制刺激条件, 并了解了刺激前、刺激时和刺激后心肌细胞表型的变化. 在另一研究中, 三维心肌组织由单层二维细胞层叠而成, 仅一天的电刺激加载就使层与层之间的电导--收缩耦合明显增强(Shimizu et al.2002), 这表明电刺激可促进心肌组织耦合的过程中建立同步收缩. ...
... 此外, 研究者也将电刺激与小分子结合, 如将小分子的传递、整合素结合的改变, 或材料表面结构特性的调控、生长因子的传递与电刺激结合. 例如, IGF-1可以防止心肌细胞肥厚, 并在氧化应激以及受损后改善心肌生存状态(Fujio et al. 2000, Huynh et al. 2010, Kajstura et al. 2001, Mehrhof et al. 2001, Park et al. 2014). 相比于单独施加电刺激或添加IGF-1, 对有序PGS支架接种的心肌细胞施加8 d双因子刺激后(2 ms持续时间、5 V/cm振幅、1 Hz频率), 细胞直径显著增大且Cx-43表有所提高(Park et al. 2014). ...
Monophasic and biphasic electrical stimulation induces a precardiac differentiation in progenitor cells isolated from human heart.
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2013
... 在过去十几年, 研究发现能够通过电刺激在体外构建成熟的心肌组织(Brevet et al. 1976, McDonough & Glembotski 1992), 主要通过激活许多通路使细胞产生一系列生理反应, 如转录因子的激活、钙处理、氧化应激反应、蛋白激酶的表达和激活和磷酸酶的激活.转录因子如NFAT3, GATA4, NRF-1 (核呼吸因子), c-Jun和铬黄C对心肌细胞生长成熟、细胞内线粒体增殖以及祖细胞分化过程都非常重要(Xia et al.1998, Xia et al. 2000).电刺激通过激活CaMK通路调节心肌细胞的钙处理能力和应激反应(Ca$^{2 +}$/依赖钙调蛋白激酶) (McKinsey & Olson 1999, Passier et al. 2000, Xia et al. 2000).CaMK-I和CaMK-IV的激活可引起磷酸酯酶的激活(如钙调神经磷酸酶), 但是当发生过表达时最终会导致病理性肥大(McKinsey & Olson 1999, Passier et al. 2000).这些结果可以明确导致病理发生的电信号持续时间, 以此更清楚地设计体外培养的方法来研究生理或病理反应过程. ...
... , Passier et al. 2000).这些结果可以明确导致病理发生的电信号持续时间, 以此更清楚地设计体外培养的方法来研究生理或病理反应过程. ...
Cardiac fibroblasts: At the heart of myocardial remodeling.
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2009
... 在基于各种材料的三维心肌组织构建研究中, 均显示与电刺激相结合有助于干细胞向心肌细胞表型分化, 并改善心肌细胞的功能(Barash et al. 2010; Chiu et al. 2011; Kapur 2011; Maidhof et al. 2012; Park et al. 2014; Pietronave et al. 2013; Tandon et al. 2009, 2011; Wang et al. 2013).大多数用于细胞培养的生物材料并不具有导电性, 因此需要通过外加电刺激实现心肌组织的同步收缩, 也可通过添加导电材料如碳纳米管和石墨烯等提高支架的导电性(Dvir et al. 2011, Martins et al. 2014, Shin et al. 2013, You et al. 2011, Zhou et al. 2014).Radisic等研究了电刺激在心肌组织形成和成熟中的作用, 将心肌细胞和心肌成纤维细胞包埋于胶原中, 培养3 d后连续5 d施加电脉冲刺激(2 ms、5 V/cm、1 Hz)模拟体内心肌的电学微环境(Zhao et al.2016). 施加电刺激后心肌组织的电信号传导和收缩特性有所改善, 不仅提高了MHC、Cx43、肌酸激酶MM和cTnI的表达, 而且心肌细胞收缩力也有显著增强, 收缩频率增加且实现同步收缩(Zhao et al. 2016). 在另一研究中, 通过使用L型钙通道、间隙连接和PI3K通路阻断剂, 确认了功能性间隙连接、细胞骨架和兴奋收缩耦合是实现组织收缩的必要条件(Zhao et al.2016). 此外, 在培养3 d开始刺激, 防止细胞内心肌蛋白的积累, 限制心肌细胞成熟和收缩(Radisic et al. 2007), 建立了精确的控制刺激条件, 并了解了刺激前、刺激时和刺激后心肌细胞表型的变化. 在另一研究中, 三维心肌组织由单层二维细胞层叠而成, 仅一天的电刺激加载就使层与层之间的电导--收缩耦合明显增强(Shimizu et al.2002), 这表明电刺激可促进心肌组织耦合的过程中建立同步收缩. ...
High-density seeding of myocyte cells for cardiac tissue engineering.
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2003
... Legant等将凝胶悬浮在两个平行的PDMS柱子之间(Galie et al. 2015, Legant et al. 2009), 柱子的偏转可以测定水凝胶中细胞产生的收缩力.考虑到心肌细胞有限的重塑和增殖能力, 在构建的生物组织中共培养心肌成纤维细胞是非常必要的(Galie & Stegemann 2011, Porter & Turner 2009, Sullivan & Black 2013). 通过近一步改进, 实现在较大结构组织(Galie et al. 2015)、微结构组织(Boudou et al. 2012)、锯齿状三维胶原结构中包埋心肌细胞和心肌成纤维细胞, 通过原子力显微镜尖端施加不同大小振幅和频率刺激, 增强了组织的收缩力. 这些实验只研究了0.5 \(\sim\) 2 Hz的加载频率, 结果发现2 Hz的力学加载可增强心肌细胞表型, 且构建的心肌组织搏动频率保持在1 Hz左右.在另一个生物反应器中可实现周期性拉伸, 多孔胶原材料一边粘在培养皿上, 另一边连接在钢棒上(控制动态拉伸)(Liu et al. 1999), 心肌细胞包埋于胶原中. 经过拉伸刺激后(80 r/min, 14 d)发现胶原基质的形成以及心肌细胞进入胶原的数量均有增加. ...
Cardiac tissue engineering using perfusion bioreactor systems.
Medium perfusion enables engineering of compact and contractile cardiac tissue.
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2004
... 在基于各种材料的三维心肌组织构建研究中, 均显示与电刺激相结合有助于干细胞向心肌细胞表型分化, 并改善心肌细胞的功能(Barash et al. 2010; Chiu et al. 2011; Kapur 2011; Maidhof et al. 2012; Park et al. 2014; Pietronave et al. 2013; Tandon et al. 2009, 2011; Wang et al. 2013).大多数用于细胞培养的生物材料并不具有导电性, 因此需要通过外加电刺激实现心肌组织的同步收缩, 也可通过添加导电材料如碳纳米管和石墨烯等提高支架的导电性(Dvir et al. 2011, Martins et al. 2014, Shin et al. 2013, You et al. 2011, Zhou et al. 2014).Radisic等研究了电刺激在心肌组织形成和成熟中的作用, 将心肌细胞和心肌成纤维细胞包埋于胶原中, 培养3 d后连续5 d施加电脉冲刺激(2 ms、5 V/cm、1 Hz)模拟体内心肌的电学微环境(Zhao et al.2016). 施加电刺激后心肌组织的电信号传导和收缩特性有所改善, 不仅提高了MHC、Cx43、肌酸激酶MM和cTnI的表达, 而且心肌细胞收缩力也有显著增强, 收缩频率增加且实现同步收缩(Zhao et al. 2016). 在另一研究中, 通过使用L型钙通道、间隙连接和PI3K通路阻断剂, 确认了功能性间隙连接、细胞骨架和兴奋收缩耦合是实现组织收缩的必要条件(Zhao et al.2016). 此外, 在培养3 d开始刺激, 防止细胞内心肌蛋白的积累, 限制心肌细胞成熟和收缩(Radisic et al. 2007), 建立了精确的控制刺激条件, 并了解了刺激前、刺激时和刺激后心肌细胞表型的变化. 在另一研究中, 三维心肌组织由单层二维细胞层叠而成, 仅一天的电刺激加载就使层与层之间的电导--收缩耦合明显增强(Shimizu et al.2002), 这表明电刺激可促进心肌组织耦合的过程中建立同步收缩. ...
Use of flow, electrical, and mechanical stimulation to promote engineering of striated muscles.
Cardiac malformation in neonatal mice lacking connexin43.
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1995
... 由于二维与三维状态下细胞骨架分布不同, 二维条件下的研究结果并不能很好的适用于三维(Abbott 2003).二维培养时, 通过添加小分子或改变表面涂层增加基底硬度可以增强心肌细胞收缩力.但二维培养系统中, 基质的硬度和孔经大小通常是相互关联的, 很难确定硬度、孔径和配体组织对细胞的单一作用(Chaudhuri & Mooney 2012; Engler et al. 2008, 2004, 2006; Griffin et al. 2004; Holle & Engler 2011; Huebsch et al. 2010; Trappmann et al. 2012; Tse & Engler 2011; Young et al. 2012).而三维培养体系中基底硬度的作用相对均匀, 但由于周围复合物的不断形成、整合素结合、细胞骨架重排以及可用性营养更加复杂的原因, 加大了评估这些参数对细胞特定作用的困难.为更好地控制这些参数以促进工程化组织的成熟, 研究者已开始对体外三维培养系统的构建和调控进行系统研究(Chen et al. 2008, Massai et al. 2013, Rangarajan et al. 2014, Shapira-Schweitzer & Seliktar 2007). 越来越多研究发现, 即使没有加载力学刺激, 三维培养系统下也可促进细胞的排列, 提高心肌功能相关的基因和蛋白的表达(Black et al. 2009, Stoppel et al. 2015), 而这些结果在力学刺激后得到了进一步的改善. ...
Culture on electrospun polyurethane scaffolds decreases atrial natriuretic peptide expression by cardiomyocytes in vitro.
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2008
... 很多研究者利用疾病模型来研究疾病状态下心肌电学相关蛋白的变化.例如, 研究者以斑马鱼和小鼠作为代表研究了电信号在心脏发育过程中的作用.斑马鱼的心脏由两个心室组成, 但其电信号传导机制与人相似(Arrenberg et al.2010; Chi et al. 2010, 2008; Sedmera et al. 2003; Tu & Chi 2012). 电信号的传播主要通过间隙连接完成, 间隙连接在同步动作电位和调节同步收缩发挥重要作用(Ye & Black 2011). 具体来说, 间隙连接家族中连接素(Cxs)的表达和修饰的错误调节可导致心律失常或胚胎早期死亡(Kumai et al.2000, Seki et al. 2015). 小鼠的心肌细胞表达多种间隙链接蛋白(包括Cx30, Cx30.2, Cx40, Cx43, Cx45和Cx46 (Chi et al. 2010, Gros et al. 2010, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Seki et al. 2015)), 其存在对心脏的正常发育至关重要(Beauchamp et al. 2012, Gros et al. 2010, Kirchhoff et al. 1998, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Reaume et al. 1995), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
Substrate stiffness increases twitch power of neonatal cardiomyocytes in correlation with changes in myofibril structure and intracellular calcium.
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2011
... 组织工程和再生医学的出现与发展为体外构建具有生理功能的组织和器官带来了希望, 为受损心肌的修复提供了可能(Hench & Polak 2002). 目前, 研究者已研发了多种方法用于工程化心肌组织的体外构建, 主要包括水凝胶法和多孔支架法. 水凝胶法是将细胞包裹于水凝胶内部, 而多孔支架法是将细胞接种于通过静电纺丝或微纳制造等技术制备的模拟细胞外基质(ECM)的材料表面.例如, Tranquillo等将心肌细胞包埋在纤维蛋白水凝胶中, 提高了心肌细胞间隙连接蛋白的表达并增强了收缩力, 实现了心肌组织功能的改善(Black III et al. 2009). 与此同时, Akins等将心肌细胞接种于有序的静电纺丝聚氨酯支架材料上, 实现心肌细胞的定向铺展, 更好地模拟了在体心肌细胞的形态(Rockwood et al. 2008).通过支架的设计和构建虽然可以在一定程度上模拟在体心肌的微环境, 改善体外构建心肌组织的表型和功能, 但由于细胞多数只接种于材料表面, 无法完全模拟在体心肌复杂的三维微环境(Ghafar-Zadeh et al. 2011). ...
Graphene oxide from silk cocoon: A novel magnetic fluorophore for multi-photon imaging.
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2013
... 除此之外, 研究者还发现二维培养中基底硬度对心肌细胞收缩率、产生的应力和钙处理均有影响(Galie et al.2013, Hazeltine et al. 2012, Rodriguez et al. 2011).Galie等研究发现硬度不仅影响心肌细胞内产生的主动收缩力, 而且会影响收缩应变. 此外, 这些参数短暂的变化表明心肌细胞在体外响应是自适应的, 随时间变化而发生改变. Bajaj等的研究结果与之相似, 将鸡胚心肌细胞接种于层粘连蛋白覆盖的聚丙烯酰胺凝胶, 在最初24 h内基底硬度对心肌细胞搏动的频率产生显著的影响(硬度为18 kPa基底比1 kPa和50 kPa和培养板培养效果好)(Bajaj et al. 2010). 然而, 5 d后心肌细胞反应是不依赖于基底硬度, 这表明心肌细胞黏附, 心肌成纤维细胞的调节功能以及细胞与细胞之间接触可以克服二维体外培养时最初的影响. ...
... 如在前几个小时内心肌细胞收缩的暂时变化可以部分归因于基底本身的黏附水平以及心肌成纤维细胞的重塑.总的来说, 这些结果证明硬度对于心肌细胞成熟起着重要的作用, 它可以在时间上改变生长因子或小分子的递送(Bajaj et al. 2010, Forte et al.2012, Galie et al. 2013, Hazeltine et al. 2012, Rodriguez et al.2011). ...
Molecular characterization of the stretch-induced adaptation of cultured cardiac cells. An in vitro model of load-induced cardiac hypertrophy.
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1992
... 许多研究已表明干细胞向心肌细胞分化和成熟部分是由于心肌细胞释放的相关可溶性因子的作用(即旁分泌作用), 在培养过程中加入这些旁分泌因子可提高干细胞分化成心肌细胞(Feric & Radisic 2016, Ivashchenko et al. 2013, Mummery et al. 2012, Veerman et al. 2015). 基底硬度可以帮助干细胞的分化(Engler et al. 2004, 2006, Roy et al. 2013, Tse & Engler 2011,,Vincent & Engler 2013), 在短时间培养过程中, 基底硬度与其发育早期变化相匹配时在体外能够改善干细胞向心肌细胞分化.实际上, 在基底硬度对人干细胞分化成心肌细胞影响的研究中, 将细胞接种于含有荧光珠的聚丙烯酰胺凝胶上, 并用牵引力显微镜来分析(Hazeltine et al. 2012), 在硬度为100 kPa的凝胶基质上, 相比较原代心肌细胞, 干细胞分化获得的心肌细胞具有更高的收缩应力, 而在4 \(\sim\) 76 kPa硬度的凝胶上没有差异, 表明100 kPa凝胶促进干细胞分化成功能性成熟的心肌细胞. ...
Autocrine release of angiotensin II mediates stretch-induced hypertrophy of cardiac myocytes in vitro.
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1993
... 应力/应变力学微环境构建是指在培养过程中对工程化组织施加力学刺激.Sadoshima等将心肌细胞静态拉伸20%的应变来研究细胞的力学敏感性, 通过northern和3H标记氨基酸吸收的变化来测量肌节、Z-闰盘、整合素、肌膜离子通道、G-蛋白耦合受体对细胞感知环境的影响(Sadoshima et al. 1992).体外力学拉伸是维持兴奋收缩耦合的一个关键因素, 如心肌细胞在静态拉伸培养过程中通过微纤维形成不同的结构或结构以不同角度螺旋、离子通道的活性(Sigurdson et al.1992,Simpson et al. 1995, 1996; 魏严等2009)、黏着斑组成(Sharp et al. 1997)、基因的表达来体现力学刺激对心肌细胞收缩耦合的影响(Van Wamel et al.2000). 在另一研究中(Vandenburgh et al. 1996), 研究者将心肌细胞接种于胶原和层粘连蛋白覆盖的孔板中, 4 d培养过程中逐步增大应变(25%)来验证力学拉伸和整合素在心肌细胞成熟过程中的作用.相比无拉伸状态, 拉伸后的心肌细胞呈现有序排列, 总肌球蛋白重链(MHC)数量、双核细胞的数量和纵向细胞面积均有增加.Vandenberg等推测双核现象和纵向面积的增大与细胞生理肥厚性生长相关, 细胞排列有序以及$\alpha $-MHC和$\beta$-MHC同工型含量提高预示着心肌细胞成熟的促进(Vandenburgh et al. 1996). 然而, 众所周知在发育和成熟过程中MHC呈现从一种同工型转变为另一种同工型的动态平衡(Hoh et al.1978, Nadal-Ginard & Mahdavi 1989), 这些条件下MHC蛋白表达的变化不足以说明促进了心肌细胞成熟. 但是, 这些结果首次强调了力学刺激对心肌细胞生长和成熟的重要性, 为未来构建工程化组织模拟体内心肌组织打下了理论基础. ...
a. Opposing and synergistic effects of cyclic mechanical stretch and alpha- or beta-adrenergic stimulation on the cardiac gap junction protein Cx43.
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2010
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
b. Cyclic mechanical stretch induces cardiomyocyte orientation and polarization of the gap junction protein connexin43.
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2010
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
... ). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
Excitation-contraction coupling in muscular response.
1
1952
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
ERK and p38 MAPK, but not NF-kappaB, are critically involved in reactive oxygen species-mediated induction of IL-6 by angiotensin II in cardiac fibroblasts.
Cardiac tissue engineering in magnetically actuated scaffolds.
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2014
... 与此同时, 心肌组织力学微环境的改变将对心肌细胞的基因、蛋白表达以及细胞间通讯等产生影响.首先, 心肌细胞能够通过细胞膜上的力敏感离子通道(如TRPV4, BK)感受细胞微环境中的静态和动态力学刺激, 激活细胞膜上的电生理和细胞内的生物化学响应, 这个过程成被称为"力化学转导", 这对调控心肌细胞的结构和功能有非常重要的影响. 例如, 研究发现力敏感离子通道对细胞膜的拉伸应变较敏感, 可以通过升高细胞内的钙离子水平来调控其收缩能力(Bett & Sachs 1997, Lammerding et al. 2004); 近年来研究者也发现一些力敏感离子通道如BK通道能够对基质材料的硬度产生响应, 然后通过电压门控钙离子通道影响心肌细胞的收缩和功能(Zhao et al. 2017). 另外, 细胞膜上的多种黏着斑蛋白(如integrin, talin和vinculin)能主动感知基质硬度的变化, 进而调控细胞膜上黏着斑的形成及其相关的下游信号通路(比如受体酪氨酸激酶和GTP酶)(Jaalouk & Lammerding 2009, Zhao et al. 2015), 最终调节心肌细胞的增殖、凋亡、分化和成熟等(Vanichapol et al. 2015). 此外, 力学刺激也会影响心肌成纤维细胞的迁移、分化以及细胞外基质分泌能力.有研究表明, 力学刺激和细胞骨架张力可以通过Rho/ROCK和MAPK/ERK通路对心肌细胞和心肌成纤维细胞产生影响(Sano et al.2001), 而对于这些通路的异常调控将导致先天性缺陷和疾病的发生(Zeidan et al. 2006). ...
Various hypertrophic stimuli induce distinct phenotypes in cardiomyocytes.
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1997
... 最近有研究利用磁性纳米颗粒对三维大孔海藻酸盐支架中的细胞施加力学刺激(Sapir et al.2014).通过外部提供5 Hz的交变磁场对接种有心肌细胞的大孔支架施加力学加载.相比无力学刺激组, 在短期(20 min)外部磁场刺激下, 心肌组织形成了更多各向异性的条纹纤维状结构, 且蛋白激酶磷酸化增加(与肥大相关(DeBosch et al. 2006, Fujio et al. 2000, Sapir et al. 2014, Schaub et al. 1997, Shiojima et al. 2002)). 在刺激和无刺激下组织p38促分裂活化蛋白激酶表达无明显差异.因此, 基于以上结果需要通过优化材料和刺激参数进一步的研究磁场刺激对细胞功能的影响. ...
... , Sapir et al. 2014, Schaub et al. 1997, Shiojima et al. 2002)). 在刺激和无刺激下组织p38促分裂活化蛋白激酶表达无明显差异.因此, 基于以上结果需要通过优化材料和刺激参数进一步的研究磁场刺激对细胞功能的影响. ...
Functional and morphological evidence for a ventricular conduction system in zebrafish and Xenopus hearts.
1
2003
... 最近有研究利用磁性纳米颗粒对三维大孔海藻酸盐支架中的细胞施加力学刺激(Sapir et al.2014).通过外部提供5 Hz的交变磁场对接种有心肌细胞的大孔支架施加力学加载.相比无力学刺激组, 在短期(20 min)外部磁场刺激下, 心肌组织形成了更多各向异性的条纹纤维状结构, 且蛋白激酶磷酸化增加(与肥大相关(DeBosch et al. 2006, Fujio et al. 2000, Sapir et al. 2014, Schaub et al. 1997, Shiojima et al. 2002)). 在刺激和无刺激下组织p38促分裂活化蛋白激酶表达无明显差异.因此, 基于以上结果需要通过优化材料和刺激参数进一步的研究磁场刺激对细胞功能的影响. ...
Gap junctional regulation of pressure, fluid force, and electrical fields in the epigenetics of cardiac morphogenesis and remodeling.
1
2015
... 很多研究者利用疾病模型来研究疾病状态下心肌电学相关蛋白的变化.例如, 研究者以斑马鱼和小鼠作为代表研究了电信号在心脏发育过程中的作用.斑马鱼的心脏由两个心室组成, 但其电信号传导机制与人相似(Arrenberg et al.2010; Chi et al. 2010, 2008; Sedmera et al. 2003; Tu & Chi 2012). 电信号的传播主要通过间隙连接完成, 间隙连接在同步动作电位和调节同步收缩发挥重要作用(Ye & Black 2011). 具体来说, 间隙连接家族中连接素(Cxs)的表达和修饰的错误调节可导致心律失常或胚胎早期死亡(Kumai et al.2000, Seki et al. 2015). 小鼠的心肌细胞表达多种间隙链接蛋白(包括Cx30, Cx30.2, Cx40, Cx43, Cx45和Cx46 (Chi et al. 2010, Gros et al. 2010, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Seki et al. 2015)), 其存在对心脏的正常发育至关重要(Beauchamp et al. 2012, Gros et al. 2010, Kirchhoff et al. 1998, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Reaume et al. 1995), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
Effects of mechanical stimulation induced by compression and medium perfusion on cardiac tissue engineering.
3
2012
... 很多研究者利用疾病模型来研究疾病状态下心肌电学相关蛋白的变化.例如, 研究者以斑马鱼和小鼠作为代表研究了电信号在心脏发育过程中的作用.斑马鱼的心脏由两个心室组成, 但其电信号传导机制与人相似(Arrenberg et al.2010; Chi et al. 2010, 2008; Sedmera et al. 2003; Tu & Chi 2012). 电信号的传播主要通过间隙连接完成, 间隙连接在同步动作电位和调节同步收缩发挥重要作用(Ye & Black 2011). 具体来说, 间隙连接家族中连接素(Cxs)的表达和修饰的错误调节可导致心律失常或胚胎早期死亡(Kumai et al.2000, Seki et al. 2015). 小鼠的心肌细胞表达多种间隙链接蛋白(包括Cx30, Cx30.2, Cx40, Cx43, Cx45和Cx46 (Chi et al. 2010, Gros et al. 2010, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Seki et al. 2015)), 其存在对心脏的正常发育至关重要(Beauchamp et al. 2012, Gros et al. 2010, Kirchhoff et al. 1998, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Reaume et al. 1995), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
... , Seki et al. 2015)), 其存在对心脏的正常发育至关重要(Beauchamp et al. 2012, Gros et al. 2010, Kirchhoff et al. 1998, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Reaume et al. 1995), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
... ). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
Matrix stiffness affects spontaneous contraction of cardiomyocytes cultured within a PEGylated fibrinogen biomaterial.
... 应力/应变力学微环境构建是指在培养过程中对工程化组织施加力学刺激.Sadoshima等将心肌细胞静态拉伸20%的应变来研究细胞的力学敏感性, 通过northern和3H标记氨基酸吸收的变化来测量肌节、Z-闰盘、整合素、肌膜离子通道、G-蛋白耦合受体对细胞感知环境的影响(Sadoshima et al. 1992).体外力学拉伸是维持兴奋收缩耦合的一个关键因素, 如心肌细胞在静态拉伸培养过程中通过微纤维形成不同的结构或结构以不同角度螺旋、离子通道的活性(Sigurdson et al.1992,Simpson et al. 1995, 1996; 魏严等2009)、黏着斑组成(Sharp et al. 1997)、基因的表达来体现力学刺激对心肌细胞收缩耦合的影响(Van Wamel et al.2000). 在另一研究中(Vandenburgh et al. 1996), 研究者将心肌细胞接种于胶原和层粘连蛋白覆盖的孔板中, 4 d培养过程中逐步增大应变(25%)来验证力学拉伸和整合素在心肌细胞成熟过程中的作用.相比无拉伸状态, 拉伸后的心肌细胞呈现有序排列, 总肌球蛋白重链(MHC)数量、双核细胞的数量和纵向细胞面积均有增加.Vandenberg等推测双核现象和纵向面积的增大与细胞生理肥厚性生长相关, 细胞排列有序以及$\alpha $-MHC和$\beta$-MHC同工型含量提高预示着心肌细胞成熟的促进(Vandenburgh et al. 1996). 然而, 众所周知在发育和成熟过程中MHC呈现从一种同工型转变为另一种同工型的动态平衡(Hoh et al.1978, Nadal-Ginard & Mahdavi 1989), 这些条件下MHC蛋白表达的变化不足以说明促进了心肌细胞成熟. 但是, 这些结果首次强调了力学刺激对心肌细胞生长和成熟的重要性, 为未来构建工程化组织模拟体内心肌组织打下了理论基础. ...
Carbon-Nanotube-Embedded Hydrogel Sheets for Engineering Cardiac Constructs and Bioactuators.
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2013
... 在基于各种材料的三维心肌组织构建研究中, 均显示与电刺激相结合有助于干细胞向心肌细胞表型分化, 并改善心肌细胞的功能(Barash et al. 2010; Chiu et al. 2011; Kapur 2011; Maidhof et al. 2012; Park et al. 2014; Pietronave et al. 2013; Tandon et al. 2009, 2011; Wang et al. 2013).大多数用于细胞培养的生物材料并不具有导电性, 因此需要通过外加电刺激实现心肌组织的同步收缩, 也可通过添加导电材料如碳纳米管和石墨烯等提高支架的导电性(Dvir et al. 2011, Martins et al. 2014, Shin et al. 2013, You et al. 2011, Zhou et al. 2014).Radisic等研究了电刺激在心肌组织形成和成熟中的作用, 将心肌细胞和心肌成纤维细胞包埋于胶原中, 培养3 d后连续5 d施加电脉冲刺激(2 ms、5 V/cm、1 Hz)模拟体内心肌的电学微环境(Zhao et al.2016). 施加电刺激后心肌组织的电信号传导和收缩特性有所改善, 不仅提高了MHC、Cx43、肌酸激酶MM和cTnI的表达, 而且心肌细胞收缩力也有显著增强, 收缩频率增加且实现同步收缩(Zhao et al. 2016). 在另一研究中, 通过使用L型钙通道、间隙连接和PI3K通路阻断剂, 确认了功能性间隙连接、细胞骨架和兴奋收缩耦合是实现组织收缩的必要条件(Zhao et al.2016). 此外, 在培养3 d开始刺激, 防止细胞内心肌蛋白的积累, 限制心肌细胞成熟和收缩(Radisic et al. 2007), 建立了精确的控制刺激条件, 并了解了刺激前、刺激时和刺激后心肌细胞表型的变化. 在另一研究中, 三维心肌组织由单层二维细胞层叠而成, 仅一天的电刺激加载就使层与层之间的电导--收缩耦合明显增强(Shimizu et al.2002), 这表明电刺激可促进心肌组织耦合的过程中建立同步收缩. ...
Akt signaling mediates postnatal heart growth in response to insulin and nutritional status.
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2002
... 在基于各种材料的三维心肌组织构建研究中, 均显示与电刺激相结合有助于干细胞向心肌细胞表型分化, 并改善心肌细胞的功能(Barash et al. 2010; Chiu et al. 2011; Kapur 2011; Maidhof et al. 2012; Park et al. 2014; Pietronave et al. 2013; Tandon et al. 2009, 2011; Wang et al. 2013).大多数用于细胞培养的生物材料并不具有导电性, 因此需要通过外加电刺激实现心肌组织的同步收缩, 也可通过添加导电材料如碳纳米管和石墨烯等提高支架的导电性(Dvir et al. 2011, Martins et al. 2014, Shin et al. 2013, You et al. 2011, Zhou et al. 2014).Radisic等研究了电刺激在心肌组织形成和成熟中的作用, 将心肌细胞和心肌成纤维细胞包埋于胶原中, 培养3 d后连续5 d施加电脉冲刺激(2 ms、5 V/cm、1 Hz)模拟体内心肌的电学微环境(Zhao et al.2016). 施加电刺激后心肌组织的电信号传导和收缩特性有所改善, 不仅提高了MHC、Cx43、肌酸激酶MM和cTnI的表达, 而且心肌细胞收缩力也有显著增强, 收缩频率增加且实现同步收缩(Zhao et al. 2016). 在另一研究中, 通过使用L型钙通道、间隙连接和PI3K通路阻断剂, 确认了功能性间隙连接、细胞骨架和兴奋收缩耦合是实现组织收缩的必要条件(Zhao et al.2016). 此外, 在培养3 d开始刺激, 防止细胞内心肌蛋白的积累, 限制心肌细胞成熟和收缩(Radisic et al. 2007), 建立了精确的控制刺激条件, 并了解了刺激前、刺激时和刺激后心肌细胞表型的变化. 在另一研究中, 三维心肌组织由单层二维细胞层叠而成, 仅一天的电刺激加载就使层与层之间的电导--收缩耦合明显增强(Shimizu et al.2002), 这表明电刺激可促进心肌组织耦合的过程中建立同步收缩. ...
Cyclic stretch enhances the expression of toll-like receptor 4 gene in cultured cardiomyocytes via p38 MAP kinase and NF-kappaB pathway.
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2010
... 最近有研究利用磁性纳米颗粒对三维大孔海藻酸盐支架中的细胞施加力学刺激(Sapir et al.2014).通过外部提供5 Hz的交变磁场对接种有心肌细胞的大孔支架施加力学加载.相比无力学刺激组, 在短期(20 min)外部磁场刺激下, 心肌组织形成了更多各向异性的条纹纤维状结构, 且蛋白激酶磷酸化增加(与肥大相关(DeBosch et al. 2006, Fujio et al. 2000, Sapir et al. 2014, Schaub et al. 1997, Shiojima et al. 2002)). 在刺激和无刺激下组织p38促分裂活化蛋白激酶表达无明显差异.因此, 基于以上结果需要通过优化材料和刺激参数进一步的研究磁场刺激对细胞功能的影响. ...
Calcium imaging of mechanically induced fluxes in tissue-cultured chick heart: role of stretch-activated ion channels.
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1992
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
Microsystems for biomimetic stimulation of cardiac cells.
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2012
... 在体心肌组织处于电信号和力学收缩等因素构成的复杂微环境中.正常生理条件下, 心肌细胞处于硬度正常的三维力学环境中, 且受到节律性力学形变的刺激.节律性电信号从窦房结发出通过细胞间隙连接传播至心肌层细胞, 再通过高导电性的浦肯野纤维传导到心脏其他区域, 最终实现整个心脏的节律性收缩. 在此过程中, 节律性电信号和导电性的浦肯野纤维和间隙连接对心脏的同步搏动至关重要.因此, 要全面模拟在体心肌细胞微环境, 就需要考虑到细胞力--电微环境的重建(如图1).随着先进生物材料(尤其是水凝胶材料)和微纳制造方法的发展, 目前研究者在体外构建细胞力--电微环境及其在功能性心肌组织再生应用方面开展了一系列地研究(Simmons et al.2012). 在细胞力学微环境调控方面, 主要是通过控制基底材料的硬度来模拟生理或病理状态下心肌细胞所处力学微环境(Tallawi et al.2015); 或对接种细胞的支架材料进行仿生力学拉伸刺激来调控动态力学微环境进而促进心肌细胞的功能(Mihic et al.2014).大多数电刺激加载主要通过电极对细胞进行脉冲式的刺激实现的.相比于传统的非导电性支架材料, 接种于导电的微纳复合材料支架上的心肌细胞对电刺激的响应大大提高, 能够更好地传导施加的电信号, 以促进心肌细胞的同步搏动功能(Hsiao et al. 2013). 因此, 体外培养的过程中通过加载仿生力--电刺激重构细胞力--电微环境改善工程化心肌组织的搏动功能, 对力--电信号刺激装置的设计和方法优化是实现成熟的工程化心肌组织的核心. ...
... 应力/应变力学微环境构建是指在培养过程中对工程化组织施加力学刺激.Sadoshima等将心肌细胞静态拉伸20%的应变来研究细胞的力学敏感性, 通过northern和3H标记氨基酸吸收的变化来测量肌节、Z-闰盘、整合素、肌膜离子通道、G-蛋白耦合受体对细胞感知环境的影响(Sadoshima et al. 1992).体外力学拉伸是维持兴奋收缩耦合的一个关键因素, 如心肌细胞在静态拉伸培养过程中通过微纤维形成不同的结构或结构以不同角度螺旋、离子通道的活性(Sigurdson et al.1992,Simpson et al. 1995, 1996; 魏严等2009)、黏着斑组成(Sharp et al. 1997)、基因的表达来体现力学刺激对心肌细胞收缩耦合的影响(Van Wamel et al.2000). 在另一研究中(Vandenburgh et al. 1996), 研究者将心肌细胞接种于胶原和层粘连蛋白覆盖的孔板中, 4 d培养过程中逐步增大应变(25%)来验证力学拉伸和整合素在心肌细胞成熟过程中的作用.相比无拉伸状态, 拉伸后的心肌细胞呈现有序排列, 总肌球蛋白重链(MHC)数量、双核细胞的数量和纵向细胞面积均有增加.Vandenberg等推测双核现象和纵向面积的增大与细胞生理肥厚性生长相关, 细胞排列有序以及$\alpha $-MHC和$\beta$-MHC同工型含量提高预示着心肌细胞成熟的促进(Vandenburgh et al. 1996). 然而, 众所周知在发育和成熟过程中MHC呈现从一种同工型转变为另一种同工型的动态平衡(Hoh et al.1978, Nadal-Ginard & Mahdavi 1989), 这些条件下MHC蛋白表达的变化不足以说明促进了心肌细胞成熟. 但是, 这些结果首次强调了力学刺激对心肌细胞生长和成熟的重要性, 为未来构建工程化组织模拟体内心肌组织打下了理论基础. ...
Mechanical regulation of cardiac myofibrillar structure.
0
1995
Mechanical regulation of cardiac myocyte protein turnover and myofibrillar structure.
1
1996
... 应力/应变力学微环境构建是指在培养过程中对工程化组织施加力学刺激.Sadoshima等将心肌细胞静态拉伸20%的应变来研究细胞的力学敏感性, 通过northern和3H标记氨基酸吸收的变化来测量肌节、Z-闰盘、整合素、肌膜离子通道、G-蛋白耦合受体对细胞感知环境的影响(Sadoshima et al. 1992).体外力学拉伸是维持兴奋收缩耦合的一个关键因素, 如心肌细胞在静态拉伸培养过程中通过微纤维形成不同的结构或结构以不同角度螺旋、离子通道的活性(Sigurdson et al.1992,Simpson et al. 1995, 1996; 魏严等2009)、黏着斑组成(Sharp et al. 1997)、基因的表达来体现力学刺激对心肌细胞收缩耦合的影响(Van Wamel et al.2000). 在另一研究中(Vandenburgh et al. 1996), 研究者将心肌细胞接种于胶原和层粘连蛋白覆盖的孔板中, 4 d培养过程中逐步增大应变(25%)来验证力学拉伸和整合素在心肌细胞成熟过程中的作用.相比无拉伸状态, 拉伸后的心肌细胞呈现有序排列, 总肌球蛋白重链(MHC)数量、双核细胞的数量和纵向细胞面积均有增加.Vandenberg等推测双核现象和纵向面积的增大与细胞生理肥厚性生长相关, 细胞排列有序以及$\alpha $-MHC和$\beta$-MHC同工型含量提高预示着心肌细胞成熟的促进(Vandenburgh et al. 1996). 然而, 众所周知在发育和成熟过程中MHC呈现从一种同工型转变为另一种同工型的动态平衡(Hoh et al.1978, Nadal-Ginard & Mahdavi 1989), 这些条件下MHC蛋白表达的变化不足以说明促进了心肌细胞成熟. 但是, 这些结果首次强调了力学刺激对心肌细胞生长和成熟的重要性, 为未来构建工程化组织模拟体内心肌组织打下了理论基础. ...
The biocompatibility of carbon nanotubes.
1
2006
... 应力/应变力学微环境构建是指在培养过程中对工程化组织施加力学刺激.Sadoshima等将心肌细胞静态拉伸20%的应变来研究细胞的力学敏感性, 通过northern和3H标记氨基酸吸收的变化来测量肌节、Z-闰盘、整合素、肌膜离子通道、G-蛋白耦合受体对细胞感知环境的影响(Sadoshima et al. 1992).体外力学拉伸是维持兴奋收缩耦合的一个关键因素, 如心肌细胞在静态拉伸培养过程中通过微纤维形成不同的结构或结构以不同角度螺旋、离子通道的活性(Sigurdson et al.1992,Simpson et al. 1995, 1996; 魏严等2009)、黏着斑组成(Sharp et al. 1997)、基因的表达来体现力学刺激对心肌细胞收缩耦合的影响(Van Wamel et al.2000). 在另一研究中(Vandenburgh et al. 1996), 研究者将心肌细胞接种于胶原和层粘连蛋白覆盖的孔板中, 4 d培养过程中逐步增大应变(25%)来验证力学拉伸和整合素在心肌细胞成熟过程中的作用.相比无拉伸状态, 拉伸后的心肌细胞呈现有序排列, 总肌球蛋白重链(MHC)数量、双核细胞的数量和纵向细胞面积均有增加.Vandenberg等推测双核现象和纵向面积的增大与细胞生理肥厚性生长相关, 细胞排列有序以及$\alpha $-MHC和$\beta$-MHC同工型含量提高预示着心肌细胞成熟的促进(Vandenburgh et al. 1996). 然而, 众所周知在发育和成熟过程中MHC呈现从一种同工型转变为另一种同工型的动态平衡(Hoh et al.1978, Nadal-Ginard & Mahdavi 1989), 这些条件下MHC蛋白表达的变化不足以说明促进了心肌细胞成熟. 但是, 这些结果首次强调了力学刺激对心肌细胞生长和成熟的重要性, 为未来构建工程化组织模拟体内心肌组织打下了理论基础. ...
Fibroblast adaptation and stiffness matching to soft elastic substrates.
The role of cardiac fibroblasts in extracellular matrix-mediated signaling during normal and pathological cardiac development.
0
2013
Left ventricular remodeling after myocardial infarction.
2
2000
... 由于细胞之间存在电信号传导与交流, 研究发现电刺激对细胞的影响与细胞微环境的电导率息息相关.大多数传统生物材料导电性较差, 因此近些年新型导电性生物材料得到广泛的开发.一般通过将水凝胶与导电材料(如导电聚合物或低聚物(Mihic et al. 2015)、AuNPs (Dvir et al. 2011)、CNTs (Su et al. 2013)、石墨烯(Annabi et al. 2015))复合来提高水凝胶材料的导电性能如图2(b), 最终用于体外进行电学微环境构建和调控. ...
... Legant等将凝胶悬浮在两个平行的PDMS柱子之间(Galie et al. 2015, Legant et al. 2009), 柱子的偏转可以测定水凝胶中细胞产生的收缩力.考虑到心肌细胞有限的重塑和增殖能力, 在构建的生物组织中共培养心肌成纤维细胞是非常必要的(Galie & Stegemann 2011, Porter & Turner 2009, Sullivan & Black 2013). 通过近一步改进, 实现在较大结构组织(Galie et al. 2015)、微结构组织(Boudou et al. 2012)、锯齿状三维胶原结构中包埋心肌细胞和心肌成纤维细胞, 通过原子力显微镜尖端施加不同大小振幅和频率刺激, 增强了组织的收缩力. 这些实验只研究了0.5 \(\sim\) 2 Hz的加载频率, 结果发现2 Hz的力学加载可增强心肌细胞表型, 且构建的心肌组织搏动频率保持在1 Hz左右.在另一个生物反应器中可实现周期性拉伸, 多孔胶原材料一边粘在培养皿上, 另一边连接在钢棒上(控制动态拉伸)(Liu et al. 1999), 心肌细胞包埋于胶原中. 经过拉伸刺激后(80 r/min, 14 d)发现胶原基质的形成以及心肌细胞进入胶原的数量均有增加. ...
Vascular endothelial growth factor induces activation and subcellular translocation of focal adhesion kinase (p125FAK) in cultured rat cardiac myocytes.
Effect of substrate mechanics on cardiomyocyte maturation and growth.
3
2015
... 在体心肌组织处于电信号和力学收缩等因素构成的复杂微环境中.正常生理条件下, 心肌细胞处于硬度正常的三维力学环境中, 且受到节律性力学形变的刺激.节律性电信号从窦房结发出通过细胞间隙连接传播至心肌层细胞, 再通过高导电性的浦肯野纤维传导到心脏其他区域, 最终实现整个心脏的节律性收缩. 在此过程中, 节律性电信号和导电性的浦肯野纤维和间隙连接对心脏的同步搏动至关重要.因此, 要全面模拟在体心肌细胞微环境, 就需要考虑到细胞力--电微环境的重建(如图1).随着先进生物材料(尤其是水凝胶材料)和微纳制造方法的发展, 目前研究者在体外构建细胞力--电微环境及其在功能性心肌组织再生应用方面开展了一系列地研究(Simmons et al.2012). 在细胞力学微环境调控方面, 主要是通过控制基底材料的硬度来模拟生理或病理状态下心肌细胞所处力学微环境(Tallawi et al.2015); 或对接种细胞的支架材料进行仿生力学拉伸刺激来调控动态力学微环境进而促进心肌细胞的功能(Mihic et al.2014).大多数电刺激加载主要通过电极对细胞进行脉冲式的刺激实现的.相比于传统的非导电性支架材料, 接种于导电的微纳复合材料支架上的心肌细胞对电刺激的响应大大提高, 能够更好地传导施加的电信号, 以促进心肌细胞的同步搏动功能(Hsiao et al. 2013). 因此, 体外培养的过程中通过加载仿生力--电刺激重构细胞力--电微环境改善工程化心肌组织的搏动功能, 对力--电信号刺激装置的设计和方法优化是实现成熟的工程化心肌组织的核心. ...
... 心肌层之间呈纵横交错排布(LeGrice et al. 1995), 层内的心肌细胞通过胞外的黏合带和细胞桥粒连接, 并通过这些连接蛋白与胞内细胞骨架的肌动蛋白和肌节蛋白连接.尽管单个心肌细胞每次收缩只发生10%左右的形变, 仅产生约几十纳牛的收缩力(Tung & Parikh 1991), 但心肌层间的这种复杂结构足以将使心腔产生较大的变形来对抗腔内的高压.另外, 心肌组织的力学特性在整个发育过程中呈动态变化(Gershlak et al. 2013, Jacot et al. 2010).研究者利用原子力学显微镜对小鼠心脏硬度进行测量, 发现出生后心肌组织急剧变硬(胚胎为约12 kPa、新生鼠为约39 kPa)(Jacot et al. 2010), 这一结果与利用单轴拉伸法测得的心肌组织力学特性一致(胚胎为约10 kPa、新生鼠/成年鼠为约20 kPa)(Gershlak et al. 2013). 心肌组织弹性模量的变化与功能改变密切相关, 例如研究者发现基底硬度不仅影响心肌细胞内产生的主动收缩力, 而且会影响收缩应变, 并对心肌细胞的搏动频率产生显著的影响(Tallawi et al.2015). ...
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
Electrical stimulation systems for cardiac tissue engineering.
0
2009
Optimization of electrical stimulation parameters for cardiac tissue engineering.
1
2011
... 在基于各种材料的三维心肌组织构建研究中, 均显示与电刺激相结合有助于干细胞向心肌细胞表型分化, 并改善心肌细胞的功能(Barash et al. 2010; Chiu et al. 2011; Kapur 2011; Maidhof et al. 2012; Park et al. 2014; Pietronave et al. 2013; Tandon et al. 2009, 2011; Wang et al. 2013).大多数用于细胞培养的生物材料并不具有导电性, 因此需要通过外加电刺激实现心肌组织的同步收缩, 也可通过添加导电材料如碳纳米管和石墨烯等提高支架的导电性(Dvir et al. 2011, Martins et al. 2014, Shin et al. 2013, You et al. 2011, Zhou et al. 2014).Radisic等研究了电刺激在心肌组织形成和成熟中的作用, 将心肌细胞和心肌成纤维细胞包埋于胶原中, 培养3 d后连续5 d施加电脉冲刺激(2 ms、5 V/cm、1 Hz)模拟体内心肌的电学微环境(Zhao et al.2016). 施加电刺激后心肌组织的电信号传导和收缩特性有所改善, 不仅提高了MHC、Cx43、肌酸激酶MM和cTnI的表达, 而且心肌细胞收缩力也有显著增强, 收缩频率增加且实现同步收缩(Zhao et al. 2016). 在另一研究中, 通过使用L型钙通道、间隙连接和PI3K通路阻断剂, 确认了功能性间隙连接、细胞骨架和兴奋收缩耦合是实现组织收缩的必要条件(Zhao et al.2016). 此外, 在培养3 d开始刺激, 防止细胞内心肌蛋白的积累, 限制心肌细胞成熟和收缩(Radisic et al. 2007), 建立了精确的控制刺激条件, 并了解了刺激前、刺激时和刺激后心肌细胞表型的变化. 在另一研究中, 三维心肌组织由单层二维细胞层叠而成, 仅一天的电刺激加载就使层与层之间的电导--收缩耦合明显增强(Shimizu et al.2002), 这表明电刺激可促进心肌组织耦合的过程中建立同步收缩. ...
Plant homeo domain finger protein 8 regulates mesodermal and cardiac differentiation of embryonic stem cells through mediating the histone demethylation of pmaip1.
2
2016
... 研究发现外加电刺激可以使心肌组织产生响应达到同步收缩, 而电信号的这种兴奋收缩耦合对心脏发育和功能有着重要的促进作用.电刺激可以影响心肌细胞动作电位的产生、搏动频率和持续时间, 增加具有自发搏动能力的细胞比例, 促进细胞的同步搏动(如图4), 因此提高了组织的同步性和信号传递, 产生了更大的收缩力(Nunes et al. 2013, S. Zhao et al. 2016).许多研究表明在体外培养的过程中施加电刺激, 干细胞和原代细胞中心肌特异蛋白的表达均呈现阳性结果(王佳南等 2009, 张颖等 2007). 大多数电刺激的装置设计简单, 使用两个电极提供脉冲电场刺激培养基中的心肌细胞(Tandon et al. 2011). ...
... 在基于各种材料的三维心肌组织构建研究中, 均显示与电刺激相结合有助于干细胞向心肌细胞表型分化, 并改善心肌细胞的功能(Barash et al. 2010; Chiu et al. 2011; Kapur 2011; Maidhof et al. 2012; Park et al. 2014; Pietronave et al. 2013; Tandon et al. 2009, 2011; Wang et al. 2013).大多数用于细胞培养的生物材料并不具有导电性, 因此需要通过外加电刺激实现心肌组织的同步收缩, 也可通过添加导电材料如碳纳米管和石墨烯等提高支架的导电性(Dvir et al. 2011, Martins et al. 2014, Shin et al. 2013, You et al. 2011, Zhou et al. 2014).Radisic等研究了电刺激在心肌组织形成和成熟中的作用, 将心肌细胞和心肌成纤维细胞包埋于胶原中, 培养3 d后连续5 d施加电脉冲刺激(2 ms、5 V/cm、1 Hz)模拟体内心肌的电学微环境(Zhao et al.2016). 施加电刺激后心肌组织的电信号传导和收缩特性有所改善, 不仅提高了MHC、Cx43、肌酸激酶MM和cTnI的表达, 而且心肌细胞收缩力也有显著增强, 收缩频率增加且实现同步收缩(Zhao et al. 2016). 在另一研究中, 通过使用L型钙通道、间隙连接和PI3K通路阻断剂, 确认了功能性间隙连接、细胞骨架和兴奋收缩耦合是实现组织收缩的必要条件(Zhao et al.2016). 此外, 在培养3 d开始刺激, 防止细胞内心肌蛋白的积累, 限制心肌细胞成熟和收缩(Radisic et al. 2007), 建立了精确的控制刺激条件, 并了解了刺激前、刺激时和刺激后心肌细胞表型的变化. 在另一研究中, 三维心肌组织由单层二维细胞层叠而成, 仅一天的电刺激加载就使层与层之间的电导--收缩耦合明显增强(Shimizu et al.2002), 这表明电刺激可促进心肌组织耦合的过程中建立同步收缩. ...
Modulation of mesenchymal stem cell chondrogenesis in a tunable hyaluronic acid hydrogel microenvironment.
1
2012
... 虽然目前研究已证实, 通过力学和电学微环境调控对心肌功能及干细胞分化为心肌细胞有着显著的影响, 但其在心肌组织构建中的应用仍然处在起步阶段. 近年来, 已有国外研究者发现能够通过调控干细胞的$\beta $-catenin通路, 来实现高效的干细胞向心肌细胞的分化 (Lian et al. 2012).目前国内研究者在该领域也取得了大量的研究成果, 杨黄恬课题组发现了多个能够影响干细胞向心肌细胞分化的信号通路, 利用细胞因子或基因修饰的方法促进了心肌细胞的分化效率和功能(Cao et al. 2013, Tang et al. 2016); 龙勉课题组开展发现了基质材料的硬度和形貌等力学因素对间充质干细胞分化的影响的研究, 发现可通过调控基质材料的力学微环境来诱导干细胞的分化方向(Li et al. 2013, Lu et al.2014). 研究如何促进心肌细胞的分化, 以及使用干细胞分化得到心肌细胞构建功能化心肌组织的实验方法, 可以推进人源干细胞用于心肌组织工程的进程, 促进工程化心肌组织的临床治疗应用.因此未来需要更多地研究如何利用力学和电学微环境促进干细胞向心肌细胞的分化, 并以此来构建具有临床应用潜力的工程化心肌组织. ...
Zebrafish models in cardiac development and congenital heart birth defects.
2
2012
... 许多研究已表明干细胞向心肌细胞分化和成熟部分是由于心肌细胞释放的相关可溶性因子的作用(即旁分泌作用), 在培养过程中加入这些旁分泌因子可提高干细胞分化成心肌细胞(Feric & Radisic 2016, Ivashchenko et al. 2013, Mummery et al. 2012, Veerman et al. 2015). 基底硬度可以帮助干细胞的分化(Engler et al. 2004, 2006, Roy et al. 2013, Tse & Engler 2011,,Vincent & Engler 2013), 在短时间培养过程中, 基底硬度与其发育早期变化相匹配时在体外能够改善干细胞向心肌细胞分化.实际上, 在基底硬度对人干细胞分化成心肌细胞影响的研究中, 将细胞接种于含有荧光珠的聚丙烯酰胺凝胶上, 并用牵引力显微镜来分析(Hazeltine et al. 2012), 在硬度为100 kPa的凝胶基质上, 相比较原代心肌细胞, 干细胞分化获得的心肌细胞具有更高的收缩应力, 而在4 \(\sim\) 76 kPa硬度的凝胶上没有差异, 表明100 kPa凝胶促进干细胞分化成功能性成熟的心肌细胞. ...
... 由于二维与三维状态下细胞骨架分布不同, 二维条件下的研究结果并不能很好的适用于三维(Abbott 2003).二维培养时, 通过添加小分子或改变表面涂层增加基底硬度可以增强心肌细胞收缩力.但二维培养系统中, 基质的硬度和孔经大小通常是相互关联的, 很难确定硬度、孔径和配体组织对细胞的单一作用(Chaudhuri & Mooney 2012; Engler et al. 2008, 2004, 2006; Griffin et al. 2004; Holle & Engler 2011; Huebsch et al. 2010; Trappmann et al. 2012; Tse & Engler 2011; Young et al. 2012).而三维培养体系中基底硬度的作用相对均匀, 但由于周围复合物的不断形成、整合素结合、细胞骨架重排以及可用性营养更加复杂的原因, 加大了评估这些参数对细胞特定作用的困难.为更好地控制这些参数以促进工程化组织的成熟, 研究者已开始对体外三维培养系统的构建和调控进行系统研究(Chen et al. 2008, Massai et al. 2013, Rangarajan et al. 2014, Shapira-Schweitzer & Seliktar 2007). 越来越多研究发现, 即使没有加载力学刺激, 三维培养系统下也可促进细胞的排列, 提高心肌功能相关的基因和蛋白的表达(Black et al. 2009, Stoppel et al. 2015), 而这些结果在力学刺激后得到了进一步的改善. ...
Cardiac mechanics at the cellular level.
1
1991
... 很多研究者利用疾病模型来研究疾病状态下心肌电学相关蛋白的变化.例如, 研究者以斑马鱼和小鼠作为代表研究了电信号在心脏发育过程中的作用.斑马鱼的心脏由两个心室组成, 但其电信号传导机制与人相似(Arrenberg et al.2010; Chi et al. 2010, 2008; Sedmera et al. 2003; Tu & Chi 2012). 电信号的传播主要通过间隙连接完成, 间隙连接在同步动作电位和调节同步收缩发挥重要作用(Ye & Black 2011). 具体来说, 间隙连接家族中连接素(Cxs)的表达和修饰的错误调节可导致心律失常或胚胎早期死亡(Kumai et al.2000, Seki et al. 2015). 小鼠的心肌细胞表达多种间隙链接蛋白(包括Cx30, Cx30.2, Cx40, Cx43, Cx45和Cx46 (Chi et al. 2010, Gros et al. 2010, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Seki et al. 2015)), 其存在对心脏的正常发育至关重要(Beauchamp et al. 2012, Gros et al. 2010, Kirchhoff et al. 1998, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Reaume et al. 1995), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
Rapid gene transcription induced by stretch in cardiac myocytes and fibroblasts and their paracrine influence on stationary myocytes and fibroblasts.
1
2000
... 心肌层之间呈纵横交错排布(LeGrice et al. 1995), 层内的心肌细胞通过胞外的黏合带和细胞桥粒连接, 并通过这些连接蛋白与胞内细胞骨架的肌动蛋白和肌节蛋白连接.尽管单个心肌细胞每次收缩只发生10%左右的形变, 仅产生约几十纳牛的收缩力(Tung & Parikh 1991), 但心肌层间的这种复杂结构足以将使心腔产生较大的变形来对抗腔内的高压.另外, 心肌组织的力学特性在整个发育过程中呈动态变化(Gershlak et al. 2013, Jacot et al. 2010).研究者利用原子力学显微镜对小鼠心脏硬度进行测量, 发现出生后心肌组织急剧变硬(胚胎为约12 kPa、新生鼠为约39 kPa)(Jacot et al. 2010), 这一结果与利用单轴拉伸法测得的心肌组织力学特性一致(胚胎为约10 kPa、新生鼠/成年鼠为约20 kPa)(Gershlak et al. 2013). 心肌组织弹性模量的变化与功能改变密切相关, 例如研究者发现基底硬度不仅影响心肌细胞内产生的主动收缩力, 而且会影响收缩应变, 并对心肌细胞的搏动频率产生显著的影响(Tallawi et al.2015). ...
Mechanical stimulation of organogenic cardiomyocyte growth in vitro. American Journal of
1
1996
... 应力/应变力学微环境构建是指在培养过程中对工程化组织施加力学刺激.Sadoshima等将心肌细胞静态拉伸20%的应变来研究细胞的力学敏感性, 通过northern和3H标记氨基酸吸收的变化来测量肌节、Z-闰盘、整合素、肌膜离子通道、G-蛋白耦合受体对细胞感知环境的影响(Sadoshima et al. 1992).体外力学拉伸是维持兴奋收缩耦合的一个关键因素, 如心肌细胞在静态拉伸培养过程中通过微纤维形成不同的结构或结构以不同角度螺旋、离子通道的活性(Sigurdson et al.1992,Simpson et al. 1995, 1996; 魏严等2009)、黏着斑组成(Sharp et al. 1997)、基因的表达来体现力学刺激对心肌细胞收缩耦合的影响(Van Wamel et al.2000). 在另一研究中(Vandenburgh et al. 1996), 研究者将心肌细胞接种于胶原和层粘连蛋白覆盖的孔板中, 4 d培养过程中逐步增大应变(25%)来验证力学拉伸和整合素在心肌细胞成熟过程中的作用.相比无拉伸状态, 拉伸后的心肌细胞呈现有序排列, 总肌球蛋白重链(MHC)数量、双核细胞的数量和纵向细胞面积均有增加.Vandenberg等推测双核现象和纵向面积的增大与细胞生理肥厚性生长相关, 细胞排列有序以及$\alpha $-MHC和$\beta$-MHC同工型含量提高预示着心肌细胞成熟的促进(Vandenburgh et al. 1996). 然而, 众所周知在发育和成熟过程中MHC呈现从一种同工型转变为另一种同工型的动态平衡(Hoh et al.1978, Nadal-Ginard & Mahdavi 1989), 这些条件下MHC蛋白表达的变化不足以说明促进了心肌细胞成熟. 但是, 这些结果首次强调了力学刺激对心肌细胞生长和成熟的重要性, 为未来构建工程化组织模拟体内心肌组织打下了理论基础. ...
Hypoxia enhances cholangiocarcinoma invasion through activation of hepatocyte growth factor receptor and the extracellular signalregulated kinase signaling pathway.
2
2015
... 应力/应变力学微环境构建是指在培养过程中对工程化组织施加力学刺激.Sadoshima等将心肌细胞静态拉伸20%的应变来研究细胞的力学敏感性, 通过northern和3H标记氨基酸吸收的变化来测量肌节、Z-闰盘、整合素、肌膜离子通道、G-蛋白耦合受体对细胞感知环境的影响(Sadoshima et al. 1992).体外力学拉伸是维持兴奋收缩耦合的一个关键因素, 如心肌细胞在静态拉伸培养过程中通过微纤维形成不同的结构或结构以不同角度螺旋、离子通道的活性(Sigurdson et al.1992,Simpson et al. 1995, 1996; 魏严等2009)、黏着斑组成(Sharp et al. 1997)、基因的表达来体现力学刺激对心肌细胞收缩耦合的影响(Van Wamel et al.2000). 在另一研究中(Vandenburgh et al. 1996), 研究者将心肌细胞接种于胶原和层粘连蛋白覆盖的孔板中, 4 d培养过程中逐步增大应变(25%)来验证力学拉伸和整合素在心肌细胞成熟过程中的作用.相比无拉伸状态, 拉伸后的心肌细胞呈现有序排列, 总肌球蛋白重链(MHC)数量、双核细胞的数量和纵向细胞面积均有增加.Vandenberg等推测双核现象和纵向面积的增大与细胞生理肥厚性生长相关, 细胞排列有序以及$\alpha $-MHC和$\beta$-MHC同工型含量提高预示着心肌细胞成熟的促进(Vandenburgh et al. 1996). 然而, 众所周知在发育和成熟过程中MHC呈现从一种同工型转变为另一种同工型的动态平衡(Hoh et al.1978, Nadal-Ginard & Mahdavi 1989), 这些条件下MHC蛋白表达的变化不足以说明促进了心肌细胞成熟. 但是, 这些结果首次强调了力学刺激对心肌细胞生长和成熟的重要性, 为未来构建工程化组织模拟体内心肌组织打下了理论基础. ...
Myocardial scaffold-based cardiac tissue engineering: application of coordinated mechanical and electrical stimulations.
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2013
... I型胶原蛋白是成年心肌组织细胞外基质的一种丰富的蛋白, 但与心肌细胞结合的基膜含有大量的层粘连蛋白.研究者用层粘连蛋白覆盖基底培养心肌细胞, 发现心肌细胞力学转导信号与在胶原覆盖基底上结果不完全相同.在柔软的(7 kPa)层粘连蛋白覆盖的聚二甲基硅氧烷(PDMS)上的心肌细胞, 培养48 h后表现出有序的肌节结构, 但在中间硬度材料上表达不足(117 kPa, 27 kPa) (Galie et al. 2013).然而, 在硬度更高基底上的心肌细胞也会出现有序的肌节结构(255 kPa) (Galie et al. 2013). 另外, $\alpha$-actinin在不同硬度基质上的表达量无明显差异(Galie et al. 2013), 表明硬度对肌动蛋白的产生没有影响, 但对细胞内蛋白形成的结构有影响.另一研究将心肌细胞短时间培养在硬度为10 kPa和200 kPa的基底上, 细胞出现非常有序的肌节结构$( \leq 48$ h).RT-qPCR结果显示在硬度为27 kPa凝胶中$\alpha$-actinin的mRNA表达增加, 整合素$\beta 1$和黏着斑表达上调, 表明心肌细胞在体外48 h培养期间试图恢复丢失的结构和功能(Walker et al. 2011).这些结果表明基底硬度会影响心肌细胞的基因和功能蛋白的表达, 并且还影响细胞活性和蛋白的后处理, 如磷酸化、泛素化和降解(Hidalgo et al.2009, Kruger et al. 2009). ...
Modeling the mitochondrial cardiomyopathy of Barth syndrome with iPSC and heart-on-chip technologies.
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2014
... 在基于各种材料的三维心肌组织构建研究中, 均显示与电刺激相结合有助于干细胞向心肌细胞表型分化, 并改善心肌细胞的功能(Barash et al. 2010; Chiu et al. 2011; Kapur 2011; Maidhof et al. 2012; Park et al. 2014; Pietronave et al. 2013; Tandon et al. 2009, 2011; Wang et al. 2013).大多数用于细胞培养的生物材料并不具有导电性, 因此需要通过外加电刺激实现心肌组织的同步收缩, 也可通过添加导电材料如碳纳米管和石墨烯等提高支架的导电性(Dvir et al. 2011, Martins et al. 2014, Shin et al. 2013, You et al. 2011, Zhou et al. 2014).Radisic等研究了电刺激在心肌组织形成和成熟中的作用, 将心肌细胞和心肌成纤维细胞包埋于胶原中, 培养3 d后连续5 d施加电脉冲刺激(2 ms、5 V/cm、1 Hz)模拟体内心肌的电学微环境(Zhao et al.2016). 施加电刺激后心肌组织的电信号传导和收缩特性有所改善, 不仅提高了MHC、Cx43、肌酸激酶MM和cTnI的表达, 而且心肌细胞收缩力也有显著增强, 收缩频率增加且实现同步收缩(Zhao et al. 2016). 在另一研究中, 通过使用L型钙通道、间隙连接和PI3K通路阻断剂, 确认了功能性间隙连接、细胞骨架和兴奋收缩耦合是实现组织收缩的必要条件(Zhao et al.2016). 此外, 在培养3 d开始刺激, 防止细胞内心肌蛋白的积累, 限制心肌细胞成熟和收缩(Radisic et al. 2007), 建立了精确的控制刺激条件, 并了解了刺激前、刺激时和刺激后心肌细胞表型的变化. 在另一研究中, 三维心肌组织由单层二维细胞层叠而成, 仅一天的电刺激加载就使层与层之间的电导--收缩耦合明显增强(Shimizu et al.2002), 这表明电刺激可促进心肌组织耦合的过程中建立同步收缩. ...
... 为了更真实地模拟在体心肌组织的生理特征, 研究者开发了力学拉伸和电刺激结合的生物反应器(Feng et al. 2005, Isenberg & Tranquillo 2003, Lu et al. 2013, Miklas et al. 2014, Morgan & Black 2014, Wang et al. 2013), 以期将模拟心室填充过程的力学刺激与电刺激结合以实现心肌组织的同步收缩(如图5).具体是通过电场对整个组织施加电刺激, 而通过物理拉伸对心肌组织施加应变刺激.最早的力--电反应器系统是单轴拉伸, 展示了平台的可行性和可调节性(Feng et al. 2005).研究者对第一个生物反应器采取了多种方式的改进, 包括增加测试的样本数量和提高刺激参数的精确度.Morgan等基于先前力学刺激的系统设计了生物反应器单元(Morgan & Black III 2014, Morgan & Black 2014), 进一步在组织周围添加两个单独碳棒来施加电刺激.这种组合系统提供仿生的力--电耦合刺激, 模拟了体内的等容收缩期.原代心肌细胞培养在纤维水凝胶中, 通过"延迟"刺激机制(在力学刺激开始0.49 s后开始电刺激)模仿等容收缩时间, 与其他条件相比SERCA2表达增强, 而与静态培养或力、电单独刺激的培养组相比, Akt1表达增强(Morgan & Black 2014). 随后的研究也表明, 进一步改变力和电刺激的加载时间, 会促进收缩力的产生和松弛率的降低, 表明这种类型的系统可用于研究心律失调疾病状态下心肌组织的功能变化(Morgan & Black 2014). ...
Gene expression profiles in engineered cardiac tissues respond to mechanical loading and inhibition of tyrosine kinases.
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2013
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
Strategies for tissue engineering cardiac constructs to affect functional repair following myocardial infarction.
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2011
... 细胞力学微环境的调控对于心肌细胞或组织的生长发育至关重要, 研究者采用不同方法来构建二维(2D)和三维(3D)心肌力学微环境, 进而维持和促进心肌组织表型和功能的成熟(Haggart et al. 2014, Ye et al. 2013, 段翠密等 2006).体外构建力学微环境的方法主要包括材料硬度、静态拉伸、动态拉伸和动态压力(如图3). 构建和调控力学微环境通常有两种机制: (1)调控不同硬度的材料来影响细胞行为; (2)对基底以一定频率进行动态拉伸.这种调控会影响心肌细胞表型、细胞内肌节结构、钙处理以及收缩功能相关的基因和蛋白表达等. ...
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
Nanoengineering the heart: Conductive scaffolds enhance connexin 43 expression.
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2011
... 很多研究者利用疾病模型来研究疾病状态下心肌电学相关蛋白的变化.例如, 研究者以斑马鱼和小鼠作为代表研究了电信号在心脏发育过程中的作用.斑马鱼的心脏由两个心室组成, 但其电信号传导机制与人相似(Arrenberg et al.2010; Chi et al. 2010, 2008; Sedmera et al. 2003; Tu & Chi 2012). 电信号的传播主要通过间隙连接完成, 间隙连接在同步动作电位和调节同步收缩发挥重要作用(Ye & Black 2011). 具体来说, 间隙连接家族中连接素(Cxs)的表达和修饰的错误调节可导致心律失常或胚胎早期死亡(Kumai et al.2000, Seki et al. 2015). 小鼠的心肌细胞表达多种间隙链接蛋白(包括Cx30, Cx30.2, Cx40, Cx43, Cx45和Cx46 (Chi et al. 2010, Gros et al. 2010, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Seki et al. 2015)), 其存在对心脏的正常发育至关重要(Beauchamp et al. 2012, Gros et al. 2010, Kirchhoff et al. 1998, Kreuzberg et al. 2005, Kumai et al. 2000, Reaume et al. 1995), 其不正常表达会导致先天性精神缺陷. 比如, Cx45表达缺失的胚胎心脏在第九天开始收缩, 但在几小时内, 出现了传导阻滞和心内膜缺损, 并伴随着心脏内胶状物的出现.进一步实验结果表明, Cx45通过影响钙离子/钙调磷酸酶和NFATc1信号来干预心肌内层上皮间充质的转化.综上所述, 间隙连接的激活和表达在心脏传导系统的发育过程中具有极其重要的作用(Kumai et al.2000). 同样, 控制或修饰Cxs也为降低心律失常、增强心脏功能以及介导病损后功能重建提供了一个可能的临床路径(Seki et al.2015). 具体来说, 在斑马鱼基因敲除突变体的模型中, 敲除Cx46的突变体表现出收缩不同步和腔壁组织混乱(Chi et al. 2010).Cx46敲除后, 利用转基因诱导心肌表达Cx46, 56%的动物出现心室电信号的传导以及恢复了收缩. ...
Dynamic hyaluronic acid hydrogels for cardiac therapy are biocompatible and degradable.
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2012
... 在基于各种材料的三维心肌组织构建研究中, 均显示与电刺激相结合有助于干细胞向心肌细胞表型分化, 并改善心肌细胞的功能(Barash et al. 2010; Chiu et al. 2011; Kapur 2011; Maidhof et al. 2012; Park et al. 2014; Pietronave et al. 2013; Tandon et al. 2009, 2011; Wang et al. 2013).大多数用于细胞培养的生物材料并不具有导电性, 因此需要通过外加电刺激实现心肌组织的同步收缩, 也可通过添加导电材料如碳纳米管和石墨烯等提高支架的导电性(Dvir et al. 2011, Martins et al. 2014, Shin et al. 2013, You et al. 2011, Zhou et al. 2014).Radisic等研究了电刺激在心肌组织形成和成熟中的作用, 将心肌细胞和心肌成纤维细胞包埋于胶原中, 培养3 d后连续5 d施加电脉冲刺激(2 ms、5 V/cm、1 Hz)模拟体内心肌的电学微环境(Zhao et al.2016). 施加电刺激后心肌组织的电信号传导和收缩特性有所改善, 不仅提高了MHC、Cx43、肌酸激酶MM和cTnI的表达, 而且心肌细胞收缩力也有显著增强, 收缩频率增加且实现同步收缩(Zhao et al. 2016). 在另一研究中, 通过使用L型钙通道、间隙连接和PI3K通路阻断剂, 确认了功能性间隙连接、细胞骨架和兴奋收缩耦合是实现组织收缩的必要条件(Zhao et al.2016). 此外, 在培养3 d开始刺激, 防止细胞内心肌蛋白的积累, 限制心肌细胞成熟和收缩(Radisic et al. 2007), 建立了精确的控制刺激条件, 并了解了刺激前、刺激时和刺激后心肌细胞表型的变化. 在另一研究中, 三维心肌组织由单层二维细胞层叠而成, 仅一天的电刺激加载就使层与层之间的电导--收缩耦合明显增强(Shimizu et al.2002), 这表明电刺激可促进心肌组织耦合的过程中建立同步收缩. ...
Hydrogels with time-dependent material properties enhance cardiomyocyte differentiation in vitro.
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2011
... 由于二维与三维状态下细胞骨架分布不同, 二维条件下的研究结果并不能很好的适用于三维(Abbott 2003).二维培养时, 通过添加小分子或改变表面涂层增加基底硬度可以增强心肌细胞收缩力.但二维培养系统中, 基质的硬度和孔经大小通常是相互关联的, 很难确定硬度、孔径和配体组织对细胞的单一作用(Chaudhuri & Mooney 2012; Engler et al. 2008, 2004, 2006; Griffin et al. 2004; Holle & Engler 2011; Huebsch et al. 2010; Trappmann et al. 2012; Tse & Engler 2011; Young et al. 2012).而三维培养体系中基底硬度的作用相对均匀, 但由于周围复合物的不断形成、整合素结合、细胞骨架重排以及可用性营养更加复杂的原因, 加大了评估这些参数对细胞特定作用的困难.为更好地控制这些参数以促进工程化组织的成熟, 研究者已开始对体外三维培养系统的构建和调控进行系统研究(Chen et al. 2008, Massai et al. 2013, Rangarajan et al. 2014, Shapira-Schweitzer & Seliktar 2007). 越来越多研究发现, 即使没有加载力学刺激, 三维培养系统下也可促进细胞的排列, 提高心肌功能相关的基因和蛋白的表达(Black et al. 2009, Stoppel et al. 2015), 而这些结果在力学刺激后得到了进一步的改善. ...
Essential role of Rho/ROCK-dependent processes and actin dynamics in mediating leptin-induced hypertrophy in rat neonatal ventricular myocytes.
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2006
... 天然水凝胶包括蛋白质(如胶原蛋白、明胶丝和蛋白)和多糖(如透明质酸、琼脂糖和藻酸盐)聚合物, 力学性能较弱且无法控制. 例如, 自组装胶原水凝胶的硬度仅为约1 kPa, 且因不可控降解使其硬度逐渐减小.现有方法主要通过修饰官能团方法来改善水凝胶的稳定性和力学性能(酪胺(Toh et al.2012)、硫醇盐(Young & Engler 2011)和丙烯酸酯(Khetan et al.2009))或者添加其他物质(明胶甲基丙烯酸酯/聚(乙二醇)) (Ma et al. 2015)、透明质酸和胶原蛋白/聚丙烯酰胺(PAA)(Macr\'{\i}-Pellizzeri et al. 2015)). 此外, 也可通过共价交联改变其力学性能. 例如, 聚丙烯酰胺凝胶与0.5 mg/mL鼠尾I型胶原共价交联调节其力学性能.与天然的水凝胶相比, 合成水凝胶的力学性能可实现精准调控, 如PEG, PAA, 聚环氧乙烷(PEO), 聚乙烯醇(PVA)及其衍生物也被用于构建体外细胞的力学微环境. 同时, 生物活性分子包括ECM分泌的多肽、蛋白质片段和生长因子可以通过功能末端(如羟基、羧基和氨基)对合成水凝胶进行修饰来改善其生物相容性. ...
Cardiomyocyte VEGFR-1 activation by VEGF-B induces compensatory hypertrophy and preserves cardiac function after myocardial infarction.
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2010
... 与此同时, 心肌组织力学微环境的改变将对心肌细胞的基因、蛋白表达以及细胞间通讯等产生影响.首先, 心肌细胞能够通过细胞膜上的力敏感离子通道(如TRPV4, BK)感受细胞微环境中的静态和动态力学刺激, 激活细胞膜上的电生理和细胞内的生物化学响应, 这个过程成被称为"力化学转导", 这对调控心肌细胞的结构和功能有非常重要的影响. 例如, 研究发现力敏感离子通道对细胞膜的拉伸应变较敏感, 可以通过升高细胞内的钙离子水平来调控其收缩能力(Bett & Sachs 1997, Lammerding et al. 2004); 近年来研究者也发现一些力敏感离子通道如BK通道能够对基质材料的硬度产生响应, 然后通过电压门控钙离子通道影响心肌细胞的收缩和功能(Zhao et al. 2017). 另外, 细胞膜上的多种黏着斑蛋白(如integrin, talin和vinculin)能主动感知基质硬度的变化, 进而调控细胞膜上黏着斑的形成及其相关的下游信号通路(比如受体酪氨酸激酶和GTP酶)(Jaalouk & Lammerding 2009, Zhao et al. 2015), 最终调节心肌细胞的增殖、凋亡、分化和成熟等(Vanichapol et al. 2015). 此外, 力学刺激也会影响心肌成纤维细胞的迁移、分化以及细胞外基质分泌能力.有研究表明, 力学刺激和细胞骨架张力可以通过Rho/ROCK和MAPK/ERK通路对心肌细胞和心肌成纤维细胞产生影响(Sano et al.2001), 而对于这些通路的异常调控将导致先天性缺陷和疾病的发生(Zeidan et al. 2006). ...
Effect of cyclic stretch on $\beta $1D-integrin expression and activation of FAK and RhoA. American Journal of
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2007
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
A role of BK channel in regulation of Ca$^{2 + }$ channel in ventricular myocytes by substrate stiffness.
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2017
... 与静态拉伸相比, 周期性力学拉伸模拟了心脏舒张期心室血液循环填充过程.许多研究表明周期性拉伸影响细胞内结构形成, 细胞内和细胞外牵引力以及相关基因和蛋白的表达(Aikawa et al. 1999, Crosara-Alberto et al. 2009, Dhein et al. 2014, Eghbali et al. 2005, Christine Fink et al. 2000, Haggart et al. 2014, Kim et al. 2009, Komuro et al. 1996, Leychenko et al. 2011, Malhotra et al. 2010, Salameh et al. 2010b, Ye et al. 2013, Zhang et al. 2007, 况薇等 2014).研究者采用Flexcell系统研究了心肌细胞对力学刺激的响应, 以及拉伸和一些小分子或生长因子结合对心肌细胞表型和功能的影响, 发现力学拉伸对心肌细胞表型影响很大(Leychenko et al. 2011, Salamehet al. 2010a). 例如, 心肌细胞接种于明胶覆盖的基膜上, 在10%应变下周期性拉伸24 h (Salameh et al. 2010a), 间隙连接蛋白的表达和形成的结构发生变化.然而此研究并没有说明间隙连接表达的改变与促进心肌细胞成熟相关.再者, 力学拉伸会影响黏着斑激酶的活性(Crosara-Alberto et al. 2009, Ferrarini et al. 2006, Shyu et al. 2010, Takahashi et al. 1999, Zentilin et al. 2010), 调节体外细胞肥大和黏着.Leychenko等研究力学拉伸激活血管内皮生长因子的机制(Leychenko et al. 2011), 结果发现与静态相比, 动态拉伸刺激使成年鼠心肌细胞血管生长因子表达提高三倍, 并激活成年鼠NF-$\kappa$B, MAPK/ERK1/2, 和PI3K的通路.而NF-$\kappa$B通路的激活对血管生长因子的分泌具有调节作用(Baker & Zaman 2010). 虽然力学拉伸刺激的部分研究结果存在争议, 但动态拉伸可激活肥大诱导作用引起的MAPK/ERK1/2, 和PI3K通路(Haggart et al.2014, Sadoshima et al. 1993, Yanazume et al. 2002)的研究结果得到一致认同. ...
Bioengineering of injectable encapsulated aggregates of pluripotent stem cells for therapy of myocardial infarction.
1
2016
... 与此同时, 心肌组织力学微环境的改变将对心肌细胞的基因、蛋白表达以及细胞间通讯等产生影响.首先, 心肌细胞能够通过细胞膜上的力敏感离子通道(如TRPV4, BK)感受细胞微环境中的静态和动态力学刺激, 激活细胞膜上的电生理和细胞内的生物化学响应, 这个过程成被称为"力化学转导", 这对调控心肌细胞的结构和功能有非常重要的影响. 例如, 研究发现力敏感离子通道对细胞膜的拉伸应变较敏感, 可以通过升高细胞内的钙离子水平来调控其收缩能力(Bett & Sachs 1997, Lammerding et al. 2004); 近年来研究者也发现一些力敏感离子通道如BK通道能够对基质材料的硬度产生响应, 然后通过电压门控钙离子通道影响心肌细胞的收缩和功能(Zhao et al. 2017). 另外, 细胞膜上的多种黏着斑蛋白(如integrin, talin和vinculin)能主动感知基质硬度的变化, 进而调控细胞膜上黏着斑的形成及其相关的下游信号通路(比如受体酪氨酸激酶和GTP酶)(Jaalouk & Lammerding 2009, Zhao et al. 2015), 最终调节心肌细胞的增殖、凋亡、分化和成熟等(Vanichapol et al. 2015). 此外, 力学刺激也会影响心肌成纤维细胞的迁移、分化以及细胞外基质分泌能力.有研究表明, 力学刺激和细胞骨架张力可以通过Rho/ROCK和MAPK/ERK通路对心肌细胞和心肌成纤维细胞产生影响(Sano et al.2001), 而对于这些通路的异常调控将导致先天性缺陷和疾病的发生(Zeidan et al. 2006). ...
Splicing factor 2/alternative splicing factor contributes to extracellular signalregulated kinase activation in hepatocellular carcinoma cells.
3
2015
... 研究发现外加电刺激可以使心肌组织产生响应达到同步收缩, 而电信号的这种兴奋收缩耦合对心脏发育和功能有着重要的促进作用.电刺激可以影响心肌细胞动作电位的产生、搏动频率和持续时间, 增加具有自发搏动能力的细胞比例, 促进细胞的同步搏动(如图4), 因此提高了组织的同步性和信号传递, 产生了更大的收缩力(Nunes et al. 2013, S. Zhao et al. 2016).许多研究表明在体外培养的过程中施加电刺激, 干细胞和原代细胞中心肌特异蛋白的表达均呈现阳性结果(王佳南等 2009, 张颖等 2007). 大多数电刺激的装置设计简单, 使用两个电极提供脉冲电场刺激培养基中的心肌细胞(Tandon et al. 2011). ...
... 在基于各种材料的三维心肌组织构建研究中, 均显示与电刺激相结合有助于干细胞向心肌细胞表型分化, 并改善心肌细胞的功能(Barash et al. 2010; Chiu et al. 2011; Kapur 2011; Maidhof et al. 2012; Park et al. 2014; Pietronave et al. 2013; Tandon et al. 2009, 2011; Wang et al. 2013).大多数用于细胞培养的生物材料并不具有导电性, 因此需要通过外加电刺激实现心肌组织的同步收缩, 也可通过添加导电材料如碳纳米管和石墨烯等提高支架的导电性(Dvir et al. 2011, Martins et al. 2014, Shin et al. 2013, You et al. 2011, Zhou et al. 2014).Radisic等研究了电刺激在心肌组织形成和成熟中的作用, 将心肌细胞和心肌成纤维细胞包埋于胶原中, 培养3 d后连续5 d施加电脉冲刺激(2 ms、5 V/cm、1 Hz)模拟体内心肌的电学微环境(Zhao et al.2016). 施加电刺激后心肌组织的电信号传导和收缩特性有所改善, 不仅提高了MHC、Cx43、肌酸激酶MM和cTnI的表达, 而且心肌细胞收缩力也有显著增强, 收缩频率增加且实现同步收缩(Zhao et al. 2016). 在另一研究中, 通过使用L型钙通道、间隙连接和PI3K通路阻断剂, 确认了功能性间隙连接、细胞骨架和兴奋收缩耦合是实现组织收缩的必要条件(Zhao et al.2016). 此外, 在培养3 d开始刺激, 防止细胞内心肌蛋白的积累, 限制心肌细胞成熟和收缩(Radisic et al. 2007), 建立了精确的控制刺激条件, 并了解了刺激前、刺激时和刺激后心肌细胞表型的变化. 在另一研究中, 三维心肌组织由单层二维细胞层叠而成, 仅一天的电刺激加载就使层与层之间的电导--收缩耦合明显增强(Shimizu et al.2002), 这表明电刺激可促进心肌组织耦合的过程中建立同步收缩. ...
... ). 施加电刺激后心肌组织的电信号传导和收缩特性有所改善, 不仅提高了MHC、Cx43、肌酸激酶MM和cTnI的表达, 而且心肌细胞收缩力也有显著增强, 收缩频率增加且实现同步收缩(Zhao et al. 2016). 在另一研究中, 通过使用L型钙通道、间隙连接和PI3K通路阻断剂, 确认了功能性间隙连接、细胞骨架和兴奋收缩耦合是实现组织收缩的必要条件(Zhao et al.2016). 此外, 在培养3 d开始刺激, 防止细胞内心肌蛋白的积累, 限制心肌细胞成熟和收缩(Radisic et al. 2007), 建立了精确的控制刺激条件, 并了解了刺激前、刺激时和刺激后心肌细胞表型的变化. 在另一研究中, 三维心肌组织由单层二维细胞层叠而成, 仅一天的电刺激加载就使层与层之间的电导--收缩耦合明显增强(Shimizu et al.2002), 这表明电刺激可促进心肌组织耦合的过程中建立同步收缩. ...
Engineering the heart: Evaluation of conductive nanomaterials for improving implant integration and cardiac function.
1
2014
... 与此同时, 心肌组织力学微环境的改变将对心肌细胞的基因、蛋白表达以及细胞间通讯等产生影响.首先, 心肌细胞能够通过细胞膜上的力敏感离子通道(如TRPV4, BK)感受细胞微环境中的静态和动态力学刺激, 激活细胞膜上的电生理和细胞内的生物化学响应, 这个过程成被称为"力化学转导", 这对调控心肌细胞的结构和功能有非常重要的影响. 例如, 研究发现力敏感离子通道对细胞膜的拉伸应变较敏感, 可以通过升高细胞内的钙离子水平来调控其收缩能力(Bett & Sachs 1997, Lammerding et al. 2004); 近年来研究者也发现一些力敏感离子通道如BK通道能够对基质材料的硬度产生响应, 然后通过电压门控钙离子通道影响心肌细胞的收缩和功能(Zhao et al. 2017). 另外, 细胞膜上的多种黏着斑蛋白(如integrin, talin和vinculin)能主动感知基质硬度的变化, 进而调控细胞膜上黏着斑的形成及其相关的下游信号通路(比如受体酪氨酸激酶和GTP酶)(Jaalouk & Lammerding 2009, Zhao et al. 2015), 最终调节心肌细胞的增殖、凋亡、分化和成熟等(Vanichapol et al. 2015). 此外, 力学刺激也会影响心肌成纤维细胞的迁移、分化以及细胞外基质分泌能力.有研究表明, 力学刺激和细胞骨架张力可以通过Rho/ROCK和MAPK/ERK通路对心肌细胞和心肌成纤维细胞产生影响(Sano et al.2001), 而对于这些通路的异常调控将导致先天性缺陷和疾病的发生(Zeidan et al. 2006). ...
Three-dimensional engineered heart tissue from neonatal rat cardiac myocytes.
1
2000
... 在基于各种材料的三维心肌组织构建研究中, 均显示与电刺激相结合有助于干细胞向心肌细胞表型分化, 并改善心肌细胞的功能(Barash et al. 2010; Chiu et al. 2011; Kapur 2011; Maidhof et al. 2012; Park et al. 2014; Pietronave et al. 2013; Tandon et al. 2009, 2011; Wang et al. 2013).大多数用于细胞培养的生物材料并不具有导电性, 因此需要通过外加电刺激实现心肌组织的同步收缩, 也可通过添加导电材料如碳纳米管和石墨烯等提高支架的导电性(Dvir et al. 2011, Martins et al. 2014, Shin et al. 2013, You et al. 2011, Zhou et al. 2014).Radisic等研究了电刺激在心肌组织形成和成熟中的作用, 将心肌细胞和心肌成纤维细胞包埋于胶原中, 培养3 d后连续5 d施加电脉冲刺激(2 ms、5 V/cm、1 Hz)模拟体内心肌的电学微环境(Zhao et al.2016). 施加电刺激后心肌组织的电信号传导和收缩特性有所改善, 不仅提高了MHC、Cx43、肌酸激酶MM和cTnI的表达, 而且心肌细胞收缩力也有显著增强, 收缩频率增加且实现同步收缩(Zhao et al. 2016). 在另一研究中, 通过使用L型钙通道、间隙连接和PI3K通路阻断剂, 确认了功能性间隙连接、细胞骨架和兴奋收缩耦合是实现组织收缩的必要条件(Zhao et al.2016). 此外, 在培养3 d开始刺激, 防止细胞内心肌蛋白的积累, 限制心肌细胞成熟和收缩(Radisic et al. 2007), 建立了精确的控制刺激条件, 并了解了刺激前、刺激时和刺激后心肌细胞表型的变化. 在另一研究中, 三维心肌组织由单层二维细胞层叠而成, 仅一天的电刺激加载就使层与层之间的电导--收缩耦合明显增强(Shimizu et al.2002), 这表明电刺激可促进心肌组织耦合的过程中建立同步收缩. ...
Tissue engineering of a differentiated cardiac muscle construct.
2
2002
... 目前, 研究者已经初步开发了各种生物反应器用于三维心肌组织周期性拉伸刺激(Birla et al.2007, Black et al. 2009, Cha et al. 2006, Kluge et al. 2011).Eschenhagen团队分别将鼠和鸡心肌细胞包埋于胶原凝胶基底中(Fink et al. 2000, Zimmermann et al. 2000)并进行拉伸, 结果表明拉伸刺激后心肌组织的功能有所改善.Zimmerman等设计管道状组织工程结构, 心肌组织实现0.51 mN的最大收缩幅度, 并且随着培养时间加长收缩力加强, 心肌组织表现出一种主动--长度和被动力--频率的关系, 表明获得的工程化心肌组织类似于体内组织(Zimmermann et al. 2000).在类似研究中, 将鸡心肌细胞包埋在胶原凝胶中, 对心肌组织施加单向周期性拉伸, 四天后心肌细胞长径比、肌丝长度和线粒体密度均有增加, 代谢活动增强, 肌节$\alpha $-actinin表达增加40% (Fink et al. 2000). 整体而言, 力学拉伸对三维心肌组织表型成熟化至关重要, 但结果中并没有报道拉伸幅度和频率导致的最大收缩力.研究者随后对该设计进行改进, 设计环形结构实现更好的参数控制, 在拉伸(10%应变、2 Hz)7 d后观察到高度有序的肌节以及黏附增加和间隙连接的形成(Zimmermann et al.2002). ...
, 鲍雪娇
