构建3D血管化心脏芯片模型
建立包含心肌细胞、成纤维细胞和内皮细胞的三维共培养体系，形成可灌注血管网络，模拟心肌组织微环境。
将hiPSC来源心肌细胞、原代人类心脏微血管内皮细胞和原代人类心脏成纤维细胞以6:5:1比例混合于纤维蛋白凝胶中，注入微流控芯片中央通道，通过侧通道接种内皮细胞形成可灌注血管网络。培养4天后，观察自发搏动和血管形成。
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血管化和可灌注的人类心脏芯片模型再现心肌缺血的某些特征并实现纳米药物递送分析。
Vascularized and Perfusable Human Heart-on-a-Chip Model Recapitulates Aspects of Myocardial Ischemia and Enables Analysis of Nanomedicine Delivery.
实验完整度
高包含体外3D心肌缺血模型建立、功能验证（钙瞬变、激发阈值）、分子表达（免疫荧光、RT-qPCR）和纳米药物靶向与疗效验证等多层级实验。
主要模型
3D血管化心脏芯片模型 hiPSC来源心肌细胞（GCaMP hiPSC-CMs） 原代人心脏微血管内皮细胞 原代人心脏成纤维细胞
重点核对
细胞比例：hiPSC-CMs、CEs、CFs 为 6:5:1 血管收缩剂诱导：AngII/PE 浓度（0.1–0.5 µm / 15–75 µm），处理7天 CHP-Lip/Alam 治疗浓度：总脂质浓度 250、500 µg mL⁻¹（Alam浓度10.5、21.0 µg mL⁻¹），每日灌注3h，共7天 钙瞬变测量：GCaMP hiPSC-CMs，频率、振幅、CV等参数
摘要
心血管疾病（CVDs）是全世界死亡的主要原因。然而，CVDs的病理生理机制尚未完全清楚，动物模型无法准确复制人类心脏功能。越来越复杂的心脏芯片技术正在被开发，以模拟天然人类心脏生理的某些方面，用于机制研究以及药物和纳米药物的筛选平台。在此，我们设计了一个三维人类心肌缺血芯片平台，该平台包含与心肌区域直接接触的可灌注血管。将包括血管紧张素II和去氧肾上腺素在内的血管收缩剂混合物灌注到该心脏芯片模型中，导致心肌细胞起搏的节律失常增加、成纤维细胞活化和血管损伤，这些都是缺血性心脏损伤的标志。为了验证该平台在药物和纳米载体筛选中的潜力，我们开展了一项概念验证研究，使用含有阿拉曼定的心脏归巢肽偶联脂质体。这种纳米药物制剂增强了对缺血模型的靶向性，减轻了心肌缺血相关的特征，并改善了心肌细胞的搏动。这证实了血管化的人类心肌缺血芯片模型为心肌组织病理生理学提供了功能和机制上的见解，并有助于心脏重塑药物的开发。
实验结论
提炼研究问题、关键发现与证据，快速把握文章的核心贡献。
- 研究问题
- 开发一种包含可灌注血管的人类心肌缺血芯片模型，以复现心肌缺血的关键病理特征，并验证该模型用于纳米药物递送分析和心脏重塑治疗筛选的潜力。
- 核心机制
- AngII/PE 诱导的血管收缩导致心肌细胞钙处理异常、心律失常、成纤维细胞活化（FAP-α、I型胶原增加）和血管通透性增加；CHP-Lip/Alam 通过CHP靶向缺血心肌，并可能通过Alamandine的已知心脏保护机制（激活AMPK-NO通路或抑制NF-κB）减轻缺血相关损伤。
- 主要证据
- 在芯片模型中，AngII/PE 处理导致心肌细胞搏动频率增加、振幅降低、CV增加、激发阈值升高，FAP-α和I型胶原表达上调，组织硬度增加，血管形态改变和通透性增加；CHP-Lip/Alam 处理降低了FAP-α和I型胶原水平，恢复了RYR2、ATP2A2、ANGPT1等基因表达，改善了钙瞬变参数，并减少了BNP分泌。
- 研究意义
- 该模型为理解心脏疾病进展机制提供了见解，并有望加速心脏重塑疗法的开发和临床前筛选，未来可构建患者特异性心脏模型用于个性化治疗。
研究路径
按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。
诱导心肌缺血
通过血管收缩剂灌注建立心肌缺血病理模型，模拟高血压、缺血性损伤。
在模型中灌注血管紧张素II（AngII）和去氧肾上腺素（PE）的混合物，浓度梯度为AngII 0.1–0.5 µm，PE 15–75 µm，持续7天，观察心肌细胞功能、纤维化和血管的变化。
评估心肌缺血病理特征
验证模型是否复现心肌缺血的关键特征，包括心律失常、纤维化和血管功能障碍。
使用GCaMP hiPSC-CMs测量钙瞬变，评估搏动频率、振幅、CV等参数；通过免疫荧光检测纤维化标志物（α-SMA、FAP-α、I型胶原）和心肌损伤标志物（cTnT）；通过Z-stack成像量化血管形态参数；测量血管通透性和组织硬度。
纳米药物递送与疗效评估
评估心脏归巢肽偶联脂质体（CHP-Lip/Alam）在缺血模型中的靶向性和治疗效果。
制备CHP或ScP偶联的脂质体，加载Alamandine，通过静水压驱动灌注到缺血芯片中，每天一次，持续7天。分析脂质体在组织中的累积、纤维化标志物和功能恢复。
研究方法
按研究目的归类文中使用的方法，便于定位所需技术。
构建3D心脏模型
验证分子表达
数据分析与统计
产品清单
| 实验环节 | 名称 | 品牌 | 货号 |
|---|---|---|---|
| 细胞培养 | 胎牛血清 | -- | -- |
| Y-27632 | STEMCELL Technologies | 72307 | |
| 凝血酶 | Sigma-Aldrich | T7201-100UN | |
| 纤维蛋白原 | -- | -- | |
| 抑肽酶 | Sigma-Aldrich | A3428 | |
| 心肌缺血诱导 | 血管紧张素II | Sigma-Aldrich | A1153 |
| 钙瞬变测量 | Tyrode缓冲液 | Alfa Aesar | J67607 AP |
| 荧光显微镜 (LSM 780) | Carl Zeiss | -- | |
| 免疫荧光成像 | Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X-100 |
| 抗心肌肌钙蛋白T抗体 | BD Bioscience | 565744 | |
| 抗波形蛋白抗体 | Abcam | ab154207 | |
| 抗FAP-α抗体 | Bioss Antibodies | BS-5758R-A555 | |
| 抗α-平滑肌肌动蛋白抗体 | Abcam | ab202295 | |
| 抗I型胶原抗体 | Bioss Antibodies | BS-10423R-A647 | |
| 抗CD31抗体 | Abcam | ab215911 | |
| Hoechst 33342 | Merck | B2261 | |
| 共聚焦显微镜 (SP8) | Leica | -- | |
| 脂质体制备 | 1,2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱 (DSPC) | Sigma-Aldrich | 850365P |
| 胆固醇 | Sigma-Aldrich | C8667 | |
| 阿拉曼定 | Insight Biotechnology | HY-P3108 | |
| 聚碳酸酯膜 | Cytiva | 10417004, 10419504, 800308 | |
| Avanti迷你挤出器 | Avanti Polar Lipids | 610000 | |
| DiD | ThermoFisher Scientific | V22887 | |
| 三(2-羧乙基)膦 (TCEP) | ThermoFisher Scientific | T2556 | |
| PD MiniTrap G-25 柱 | Cytiva | 28-9180-07 |
关键环节
汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。
| 环节 | 核对要点 |
|---|---|
| 3D心脏芯片制备 | 细胞比例、纤维蛋白浓度、凝血酶浓度、细胞接种密度、内皮细胞接种密度、培养时间、培养基成分 阅读提示：Experimental Section，3D Human Vascularized and Perfusable Heart-on-a-Chip Preparation |
| 心肌缺血诱导 | AngII/PE浓度、处理时间、灌注方式 阅读提示：Experimental Section，Myocardial Ischemia Induction |
| 钙瞬变测量 | 测量设备设置（激发/发射波长、帧率）、ROI选择、指标计算 阅读提示：Experimental Section，Spontaneous Beating Rate Measurement |
| 免疫荧光检测 | 固定、透化、封闭条件、抗体稀释比例、孵育时间、成像参数 阅读提示：Experimental Section，Verification of Protein Expression Measurement with Immunofluorescence Imaging |
| 血管形态分析 | 固定时间、成像厚度、图像处理参数（阈值、骨架化） 阅读提示：Experimental Section，Vessel Morphology Analysis |
| 纳米药物治疗 | 脂质体制备方法、肽偶联条件、纯化方法、给药浓度、灌注时间、治疗周期 阅读提示：Experimental Section，Preparation of Cardiac Homing Peptide-Conjugated Liposome Loading Alamandine |