由马萨诸塞大学阿默斯特分校领导的一组工程师，包括麻省理工学院（MIT）的同事最近在《Nature Communications》杂志上宣布，他们已经成功建立了一个类似组织的生物电子网状系统，该系统集成了一系列原子薄的石墨烯传感器，可以同时测量电信号和实验室培养的人类心脏组织中细胞的物理运动。在一项研究中，这种组织状网状物可以与心脏细胞一起生长，使研究人员能够观察心脏的机械和电功能在发育过程中的变化。这种新设备对于那些研究心脏病以及研究许多常见药物疗法的潜在毒副作用的人来说是一个福音。
心脏病是全世界人类发病率和死亡率的主要原因。心脏对治疗药物也非常敏感，制药业花费数百万美元进行测试，以确保其产品安全。然而，有效监测活体心脏组织的方法极其有限。
在某种程度上，这是因为在活体心脏中植入传感器非常危险，但也因为心脏是一种复杂的肌肉，需要监测的东西不止一种。“心脏组织非常特殊，”马萨诸塞大学阿默斯特分校工程学院电气和计算机工程副教授、该论文的资深作者Jun Yao说。“它有一种机械活动——将血液泵入我们身体的收缩和松弛——与控制该活动的电信号相结合。
但今天的传感器通常一次只能测量一个特征，而一个可以同时测量电荷和运动的双传感器设备将非常笨重，以至于阻碍了心脏组织的功能。到目前为止，还没有一个传感器能够在不干扰其功能的情况下测量心脏的双重特性。
布满石墨烯传感器（红色）的生物电子网可以同时测量电信号和心脏组织的运动（紫色和绿色）。
新设备由两个关键部件组成，主要作者Hongyan Gao解释说，他正在麻省大学阿默斯特分校攻读电气工程博士学位。第一种是三维心脏微组织（CMT），在马萨诸塞大学阿默斯特分校机械与工业工程副教授Yubing Sun的指导下，在实验室中从人类干细胞中生长出来。CMT已成为体外测试的首选模型，因为它是迄今为止最接近全尺寸活体人类心脏的类似物。然而，由于CMT是在试管中生长的，因此它必须成熟，这个过程需要时间，并且很容易被笨拙的传感器破坏。
第二个关键成分涉及石墨烯——一种只有一个原子厚的纯碳物质。石墨烯的性质有一些令人惊讶的怪癖，使其成为心脏传感器的完美选择。石墨烯是导电的，因此它可以感应到通过心脏组织射出的电荷。它也是压阻式的，这意味着当它被拉伸时——比如说，通过心脏的跳动——它的电阻会增加。而且由于石墨烯非常薄，它甚至可以记录最微小的肌肉收缩或松弛颤动，并且在整个成熟过程中都不会妨碍心脏的功能。共同作者、麻省理工学院电气工程教授Jing Kong和她的团队提供了这种关键的石墨烯材料。
“虽然石墨烯已经有很多应用，但很高兴看到它可以用于这一关键需求，这利用了石墨烯的不同特性，”Kong说。
然后，Gao，Yao和他们的同事将一系列石墨烯传感器嵌入到他们开发的柔软，可拉伸的多孔网状支架中，该支架具有与人体组织紧密的结构和机械特性，并且可以无创地应用于心脏组织。
“以前从来没有人这样做过，”高说。“石墨烯可以在生物环境中存活很长时间而不会降解，也不会失去其导电性，因此我们可以在整个成熟过程中监测CMT。
“出于多种原因，这一点至关重要，”姚明补充道。“我们的传感器可以向科学家和药物研究人员提供实时反馈，而且可以以具有成本效益的方式做到这一点。我们很自豪能够利用电气工程的见解来帮助构建对广大研究人员有用的工具。
Gao说，在未来，他希望能够使他的传感器适应更大的规模，甚至是体内监测，这将提供最好的数据来帮助解决心脏病。
这项研究得到了陆军研究办公室、美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会、半导体研究公司和林克基金会以及马萨诸塞大学阿默斯特分校应用生命科学研究所的支持。
http://doi.org/10.1038/s41467-024-46636-7
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