韩国科学技术研究院开发出整合肌肉、运动神经和血管内皮细胞的人工肌肉模型
观察肌肉功能与代谢变化……有望用于新药及康复治疗评估
一项新技术将构成人体肌肉、运动神经和血管的细胞整合到同一芯片中，并可观察肌肉在神经刺激和高浓度葡萄糖环境下发生的变化。
研究人员发现，施加类似实际运动的刺激后，肌肉功能会增强；而在高浓度葡萄糖环境下，能量代谢功能会下降。这项技术有望发展成为一种利用人体细胞、无需依赖动物实验来评估新药候选物和康复治疗效果的方法。
微芯片结构及细胞培养情况。研究人员在微芯片中央的腔室中培养肌细胞，另一个腔室中培养的运动神经元则沿微通道伸出轴突，与肌肉组织相连。芯片置于孔板中培养。研究团队供图
View original image韩国科学技术研究院的 Kim Jihoon 生物分子识别研究中心首席研究员团队，联合天主教大学富川圣母医院教授 Son Jangwon 团队和高丽大学机械工程系教授 Jeong Seok 团队，开发出一种人工肌肉模型，将人体肌肉细胞、运动神经和血管内皮细胞整合在同一微芯片中。韩国科学技术研究院于11日公布了这一消息。
研究团队在芯片内部利用人体细胞构建了三维肌肉组织，并使运动神经沿着微通道延伸至肌肉并与之连接。此外，团队还加入了构成血管内壁的血管内皮细胞，以模拟真实人体肌肉的周边环境。
以往的肌肉芯片研究主要着眼于构建肌肉组织本身，或实现肌肉与神经的连接；本次研究则重点在于将三种细胞共同培养并在结构上连接起来。研究团队尤其确认，通过细胞自行形成组织的“自组织”过程，可以反复构建较为均匀的结构。
研究团队反复刺激芯片中形成的运动神经后，发现肌纤维变粗，肌肉的收缩反应和活跃度也有所提高。与能量代谢相关的基因及线粒体功能得到激活，胰岛素刺激下的葡萄糖吸收量也有所增加。研究人员观察到了类似实际运动过程中肌肉功能适应的变化。
相反，在高浓度葡萄糖环境下，能量代谢功能下降，活性氧增加。不过，这项实验并未原样再现糖尿病患者的实际状态，而是模拟了高浓度葡萄糖引发的代谢压力。
研究团队还确认了血管内皮细胞的作用。在由肌肉和运动神经构成的组织中加入血管内皮细胞后，运动神经的钙信号得到激活，神经刺激引发的肌肉反应也有所增强。这一结果表明，肌肉功能不仅受肌肉细胞本身影响，也会受到周边神经和血管细胞相互作用的影响。
有望用于新药及康复治疗评估……实现实用化仍需进一步验证
这项技术可用于评估治疗肌少症、代谢综合征和神经肌肉疾病的候选物对人体肌肉的影响，也可用于比较运动或康复过程中施加的刺激会给肌肉功能带来哪些变化。
在动物实验中确认有效的药物，有时在人体上会表现出与预期不同的反应。利用人体细胞模拟部分人体环境的器官芯片，正受到关注，有望成为减少此类差异的新型临床前评估技术。
联合研究团队成员。从左至右：韩国科学技术研究院（KIST）博士后研究员 An Jincheol、KIST高级研究员 Kim Jihoon、天主教大学富川圣母医院教授 Son Jangwon、高丽大学教授 Jeong Seok。KIST供图
View original image不过，要将这项技术用于实际新药评估，仍需进一步验证。研究团队表示，需要积累芯片对各种刺激和药物的反应数据，以确认其可评估的范围，并简化、自动化芯片制作和实验流程。器官芯片无法再现人体复杂的生理环境，也是其局限之一。
韩国科学技术研究院首席研究员 Kim Jihoon 表示：“我们在同一芯片中构建了人体肌肉、运动神经和血管内皮细胞，并观察到肌肉会随着神经刺激和代谢环境的不同而发生变化。今后，我们将推动这项技术发展成为临床前平台，以便利用人体细胞评估治疗候选物和康复刺激的效果。”
韩国科学技术研究院博士后研究员 An Jincheol 是本次研究的第一作者。研究成果刊登在国际学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）最新一期。
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