JCB：肌肉芯片有助解释心脏病干细胞疗法局限性

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来源：生物谷 2016-02-14 14:47
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2016年2月14日/生物谷BIOON/--在一项新的研究中，来自美国哈佛大学的Yvonne Aratyn-Schaus、Francesco Pasqualini及其同事们发现源自干细胞的心肌细胞或许不能有效地替换受损的心脏组织，这是因为它们不能足够强劲地收缩。这一发现可能有助解释在临床试验中，基于干细胞的疗法迄今为止对心脏病病人表现出有限的益处。相关研究结果于2016年2月8日发表在Journal of Cell Biology期刊上，论文标题为“Coupling Primary and Stem Cell-Derived Cardiomyocytes in an In Vitro Model of Cardiac Cell Therapy”。; j" I4 i) H2 m. M2 o2 j/ ]

( p4 R; R. }! `% s8 m3 @( A多年来，利用干细胞替换心脏病发作后受损心脏组织的可能性已吸引着不少研究人员。尽管移植到病人体内的干细胞能够分化为心肌细胞并整合进心脏组织中的未受损区域，但是多项临床前研究和临床试验都发现心脏的收缩功能并未取得显著改善。( Y4 K+ a/ k: e# N& ]1 M! M
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对此的一种解释可能是机械力并没有在新的源自干细胞的心肌细胞和现有的存活下来的心肌细胞之间正确地传播。心肌细胞之间交换的机械力是不可能在病人体内测量到的。因此，美国哈佛大学Kit Parker教授领导的一个研究小组开发出一种简化的体外系统，在这个系统中，从小鼠体内分离出的单个心肌细胞与单个的源自干细胞的心肌细胞结合在一起形成一种双细胞的微组织(two-cell microtissue)。研究人员将这种微组织称为肌肉芯片 (muscle on-a-chip)。" Z, @4 o$ E: A

  T' e/ X) z/ R1 H论文共同第一作者、Parker实验室的博士后研究人员Pasqualini和 Aratyn-Schaus利用这种方法发现源自干细胞的心肌细胞能够在结构上耦合在一起，并且与小鼠体内分离出的心肌细胞同步跳动。然而，源自干细胞的心肌细胞不能与它们的搭档一起强劲地收缩，这种不平衡导致这些细胞将机械力传递到它们的周围环境，而不是彼此之间。( `. A3 c$ b$ o0 W9 r
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计算机模拟结果揭示出源自干细胞的心肌细胞和小鼠体内分离出的心肌细胞产生的不平衡力量足以诱导细胞粘附产生，而这种细胞粘附能够吸收传递到周围环境的机械力。这种计算机模拟结果还提示着人心肌细胞也很可能表现出类似的行为。! f) m7 ]' p5 k( [
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因此，不充足的机械力传播可能解释了干细胞移植为何在恢复正常心脏功能上不是那么高效。Parker及其同事们的肌肉芯片应当有助于研究人员开发出改善源自干细胞的心肌细胞之间机械耦合的方法，从而改善病人心脏组织的存活。

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doi:10.1083/jcb.201508026
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Coupling primary and stem cell–derived cardiomyocytes in an in vitro model of cardiac cell therapy
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Yvonne Aratyn-Schaus,* Francesco S. Pasqualini,*
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The efficacy of cardiac cell therapy depends on the integration of existing and newly formed cardiomyocytes. Here, we developed a minimal in vitro model of this interface by engineering two cell microtissues (μtissues) containing mouse cardiomyocytes, representing spared myocardium after injury, and cardiomyocytes generated from embryonic and induced pluripotent stem cells, to model newly formed cells. We demonstrated that weaker stem cell–derived myocytes coupled with stronger myocytes to support synchronous contraction, but this arrangement required focal adhesion-like structures near the cell–cell junction that degrade force transmission between cells. Moreover, we developed a computational model of μtissue mechanics to demonstrate that a reduction in isometric tension is sufficient to impair force transmission across the cell–cell boundary. Together, our in vitro and in silico results suggest that mechanotransductive mechanisms may contribute to the modest functional benefits observed in cell-therapy studies by regulating the amount of contractile force effectively transmitted at the junction between newly formed and spared myocytes.
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