南加州大學的研究人員Megan McCain和博士後Megan Rexius-Hall設計了一個微觀模型，可以復制心肌梗死的關鍵方面，有朝一日可能成為新的個性化心臟藥物的試驗平台。南加州大學（USC）Alfred E. Mann生物醫學工程系的研究人員開發了一種在芯片上模擬心髒病發作的平台-一種有朝一日可以作為開發新的心臟藥物甚至是個性化藥物的試驗台的設備。

“我們的設備在一個相對簡單和易於使用的系統中復制了心髒病發作的一些關鍵特徵，”生物醫學工程和乾細胞生物學及再生醫學副教授Megan McCain說，他與博士後研究員Megan Rexius-Hall開發了該設備。

“這使我們能夠更清楚地了解心髒病發作後心臟是如何變化的。從那裡，我們和其他人可以開發和測試對限制心髒病發作後可能發生的心臟組織的進一步退化最有效的藥物，”McCain補充說。他和Rexius-Hall在最近發表在《科學進展》雜誌上的一篇文章中詳細介紹了他們的發現，題目是”心肌梗塞邊界區芯片顯示了氧氣梯度對心臟組織功能的獨特調節。”

美國的頭號殺手

冠心病是美國的頭號殺手。根據美國心臟協會的數據，2018年有36.09萬美國人患此疾病，嚴重的冠心病會導致心髒病發作，心髒病發作占美國死亡人數的12.6%。當冠狀動脈中的脂肪、膽固醇和其他物質嚴重減少富含氧氣的血液流向心臟的一部分時，就會發生心髒病，2005年至2014年期間，平均每年有80.5萬美國人發生心髒病發作。

即使病人從心髒病發作中倖存下來，隨著時間的推移，他們也會變得越來越疲勞和容易生病；有些人甚至因心臟衰竭而死亡。這是因為心臟細胞不像其他肌肉細胞那樣可以再生。相反，免疫細胞出現在受傷的部位，其中一些可能是有害的。此外，疤痕的形成削弱了心臟和它能泵出的血液量。

然而，科學家們並不完全了解這一過程，特別是心臟健康和受傷部位的心臟細胞如何相互溝通，以及它們在心髒病發作後如何以及為何發生變化。

麥凱恩和Rexius-Hall相信他們的芯片上的心髒病發作可以為這些奧秘帶來一些啟示：”從根本上說，我們希望有一個模型，可以讓人們更好地了解心髒病發作的傷害。”

芯片上的心髒病發作

芯片上的心髒病發作實際上是從頭開始建立的。底部是一個22毫米乘22毫米的正方形微流體裝置，由一種叫做PDMS的橡膠狀聚合物製成，其對立面有兩個通道，氣體在其中流動。上面有一層非常薄的同樣的橡膠材料，它對氧氣是可滲透的，芯片的頂部繪製了一層微型蛋白質圖案，”這樣心臟細胞就會排列起來，形成與我們心臟相同的結構。最後，將囓齒動物的心臟細胞移植到蛋白質上生長。”

為了模擬心髒病發作，含氧和不含氧的氣體通過微流體裝置的每個通道被釋放出來，”將我們的心臟暴露在芯片上的氧氣梯度中，類似於心髒病發作時的真實情況”，McCain說。

由於微流控設備小而清晰，在顯微鏡下很容易看到，它還允許研究人員實時觀察心髒病發作後有時發生的功能變化，包括心律失常或不規則的心跳，以及收縮功能障礙，或心臟收縮強度的下降。在未來，研究人員可以通過添加免疫細胞或成纖維細胞（心髒病發作後產生疤痕的細胞）使模型更加複雜。

相比之下，研究人員無法通過動物模型實時觀察心臟組織的變化。此外，傳統的細胞培養模型將心臟細胞統一暴露在高、中或低水平的氧氣中，但沒有梯度。Rexius-Hall說，這意味著它們不能模擬心髒病發作後所謂的邊界區受損心臟細胞的真實情況。

“設想我們的設備在不久的將來對病人的生活產生積極的影響，特別是對心髒病發作來說，這是非常令人興奮和有意義的，因為心髒病發作是非常普遍的”。