工程化心脏组织中后负荷的磁力调节

摘要

本方案提供了基于磁力的工程化心肌组织后负荷调节平台的构建与实施的详细方法。

摘要

后负荷已知可驱动生理性与病理性心脏状态的发展。因此，研究后负荷改变状态下的结果，可能为控制这些关键过程的机制提供重要见解。然而，目前尚缺乏一种能够在时间进程中对心脏组织后负荷进行精确微调的实验技术。本文介绍了一种新开发的基于磁力的技术，用于在工程化心脏组织（EHTs）中实现这种控制。为了制备具有磁响应性的EHTs（MR-EHTs），将组织安装在中空硅胶支柱上，其中部分支柱内含有小型永磁体。另一组永磁体被压入丙烯酸板中，使其具有相同极性，并与支柱上的磁体轴向对齐。为了调节后负荷，使用配备编码器的压电平台将该磁体板向支柱磁体方向移动（增加后负荷）或远离（降低后负荷）。用于调节平台位置的运动控制软件可实现用户自定义的后负荷方案，而编码器则确保平台能校正其位置中的任何不一致性。本研究描述了该系统的制造、校准与实施方法，以促进全球其他实验室开发类似平台。文中还包含了两个独立实验的代表性结果，用以示例该系统可支持的多种不同类型研究的范围。

引言

后负荷是指心室开始射血后所承受的收缩期负荷¹。在心脏发育过程中，适当的后负荷对心肌细胞的成熟至关重要²。在成年期，心室后负荷过低（例如，高位脊髓损伤导致长期卧床的患者³，或在航天飞行等特殊情况下⁴）可导致心脏萎缩。相反，后负荷过高则可引起心脏肥厚⁵。尽管耐力运动员或孕妇出现的心脏肥厚被认为是良性且具有生理适应性的，但与长期动脉高血压或严重主动脉瓣狭窄相关的心脏肥厚则有害，因其易导致心律失常和心力衰竭⁶。尽管心力衰竭患者的5年死亡率已从20世纪80年代的约70%⁶下降至目前的40–50%⁷，但对于这种高发疾病（目前西方国家人群患病率为2.2%）⁸，仍迫切需要新的治疗手段。

为了研究病理性心脏肥厚的分子机制，并测试预防或治疗该疾病的策略，已开发出用于模拟后负荷的体内模型^9,10,11....

方案

1. 后负荷调节平台的制备

注意：本方案中此部分所涉及的步骤无时间敏感性。

1. 制造磁响应硅胶支架
   注意：这些支架用作工程化心脏组织（EHT）的培养平台。每个EHT悬挂在两个硅胶柱之间，这些柱为组织提供后负荷。后负荷的大小与柱的刚度直接相关。为了实现磁控后负荷调节，部分柱需具备磁响应性。
   1. 获取适用于24孔板的硅胶柱支架（尺寸见补充图1）。本研究中使用的支架由商业硅胶制品供应商根据上述尺寸，采用邵氏硬度为40的硅胶材料制成。
   2. 通过将小磁体（例如，直径 d = 0.5 mm，高度 h = 2.0 mm；参见材料表）放置在较大的永磁体上，确定其极性。
   3. 保持固定极性，用水润滑磁体，并逐个将其插入硅胶支架最外侧的柱中。
      注意：若尝试同时插入多个磁体，额外的阻力将使磁体更难推至柱底。
   4. 使用钝头不锈钢牙科丝（直径 ≈ 0.4 mm，参见材料表）小心地将磁体推至中空柱腔底部。每个柱中最多可堆叠五个磁体。
   5. 使用（尖嘴）钳子将不锈钢牙科丝（直径 ≈ 0.4 mm，参见材料表）弯成宽11.25 mm、长15 mm....

结果

磁性微柱刚度的定量分析
将一个水平取向的磁响应性硅胶微柱固定在特定位置，并将一个轴向对齐的校准磁体置于该微柱若干已知距离（“磁体间距”）处。在硅胶微柱末端悬挂已知重量的测试负载，使其发生弯曲。该弯曲程度通过光学方法进行量化。在所有磁体间距下，测试负载的重力与微柱弯曲程度之间均呈现线性关系（图6A）。由这些线性关系得出的刚度值随磁体间距的增加呈负指数趋势变化（图6B）。

逐步增加后负荷
源自大鼠心脏的对照组和磁响应性工程化心脏组织（MR-EHTs）在无磁性后负荷条件下培养（对照组组织为 0.6 mN/mm，MR-EHTs 为 0.91 mN/mm），直至收缩力达到平台期。在此时间点（EHT 成型后第 24 天），MR-EHTs 与对照组 EHTs 的平均收缩力相近（分别为 0.29 mN 与 0.22 mN）。在随后的一周内，对 MR-EHTs 施加的后负荷从 0.91 逐步增加至 .......

讨论

本文所述方案介绍了一种利用磁场改变工程化心肌组织后负荷的新技术。该技术依赖压电平台，将强磁铁板朝向或远离具有磁响应性的硅胶微柱支架进行移动。两组磁铁之间的距离越近，培养于其上的工程化心肌组织所承受的后负荷就越强。

该系统的成功制备和使用涉及多个关键步骤。在制备磁响应型硅胶支架时，至关重要的是确保所有柱体内的磁体均以相同的极性方向排列。若某一磁体被反向放置，则会削弱而非增强磁场强度。同样，该极性必须与磁板内所有磁体的极性一致，否则两组磁体会相互排斥而非相互吸引。此外，应尽可能避免在后负荷调节装置的构建中使用磁性材料，因其可能干扰磁场。出于这一原因，建议主要采用铝作为构建材料。类似地，如果使用的压电平台不同于材料表中列出的型号，则需确保其具有抗磁性，并能耐受标准细胞培养条件（例如 37 °C、100% 湿度以及高浓度 CO₂ 和 O₂）。最后需注意，大多数压电线性平台设计为水平安装，因其通常承载能力较低。因此，若磁板重量超过该承载能力，应使用配重来减轻电机负荷。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
圆柱形板状磁铁	HKCM	9962-55184	h = 14 mm, d = 13 mm
圆柱形柱状磁铁	HKCM	9962-63571	h = 2 mm, d = 0.5 mm
牙科金属丝	Ormco	266-1316	d = 0.016 英寸 (0.406 mm)
GraphPad	GraphPad Software, La Jolla, California, USA	Windows 版本 6.00
压电电机运动控制软件	Micronix USA		可在制造商官网免费下载
压电电机运动控制器	Micronix USA	MMC-100-01000
光学收缩性分析平台	EHT technologies	A0001
压电直线电机	Micronix USA	PPS-20-15206	配备线性光学编码器，适用于培养箱环境
聚苯乙烯棒	Plastruct	MR-15	d = 0.015 英寸 (0.381 mm)
USB 摄像头	Reichelt Elektronik	REFLECTA 66142