纤维化心肌微组织模型构建及其力-电耦合机理研究

Cardiac fibrosis is a complex pathological process resulting from the convertion of fibroblasts to myofibroblasts (mFBs) from a "normal" phenotype to an intermediate phenotype between fibroblasts and smooth muscle cells. One of the major chanllenges to develop effective therapeutic approaches is the understanding of how mFBs interact with cardiomyocytes (CMs) to modulate the electromechanical functions of the heart tissues, which is the cutting-edge issue for investigation. To address this challenges, this proposal is the first attempt to develop and integrate computational and in vitro microtissue models to assess the effects of mFBs on the electromechanical function of heart muscle. In particular, novel cell printing and micro-fabrication technologies are adopted to create in vitro functional cardiac microtissue models with controlled cell orientation and spatial distribution to imitate microarchitecture of native normal and fibrotic cardiac tissues. The computational model is then formulated at the cellular level taking into account individual CMs and mFBs to achieve the impulse spread pattern as modulated by the presence of mFBs acting either as insulators or resistors. The excitatory impulse activates the contraction of individual viscoelastic cells that are mechanically linked to other cells and the extracellular matrix. The computational model will be validated by comparison to experimental measurements of microtissue models to reveal the effects of mFBs. The developed approach integrating microtissue model and computational model is expected to rationalize therapies for hearts afflicted by myocardial infarction and hypertensive heart disease by providing a quantitative assessment of the effects of proposed interventions, and further assess clinical therapeutic strategies for eliminating or reducing the negative effects of mFBs on the electromechanical function of the cardiac tissues.

心肌纤维化是各类心脏病发生发展的共同病理过程，成纤维细胞转化为肌成纤维细胞是导致纤维化的重要病理基础。针对心肌纤维化过程中肌成纤维细胞对心肌组织力-电行为（即电-机械活动）影响的一些关键难点，拟运用细胞打印等前沿微纳组织工程技术，构建一种高通量、功能性三维体外心肌微组织模型，通过微尺度上调控细胞分布、比例与取向性从技术层面实现心肌纤维化疾病模型精确、可控制备。在组织层面上建立一种可与实验结果相验证的心肌微组织力-电耦合数理模型，进而达到分别从单细胞和微组织水平上对心肌组织的力-电行为特性进行研究的目的，从而实现理论层面对纤维化心肌微组织模型功能的评价和优化指导。本项目的目标是通过创新性地将纤维化心肌微组织模型和力-电耦合数理模型相结合，进而阐明肌成纤维细胞对纤维化心肌组织力-电行为影响的机理和调控机制，为将来主动式、指向性利用所构建实验、数理模型为临床心肌纤维化的预防、治疗和逆转提供参考。

心肌纤维化是多种心血管疾病发展到一定阶段的共同结构性病理特征，对心肌组织的力-电微环境和功能行为具有重要影响。但是，目前有关纤维化三维心肌组织中细胞力-电响应规律和机制不清楚。本项目通过开发利用功能生物材料（如明胶–丙烯酸酐微凝胶和胶原-海藻酸钙复合水凝胶）和生物制造技术（如光图形花和三维生物打印），构建了功能性纤维化三维心肌微组织模型。通过水凝胶浓度和交联方式的调控，实现了微组织中细胞三维刚度微环境调控；通过磁响应微凝胶的制备和无接触磁力加载系统的开发，实现了微组织细胞三维拉伸力学微环境的调控；通过还原氧化石墨烯-丝素纳米纤维复合材料的制备和电加载装置的开发，实现了细胞电学微环境的调控。进一步开发了扫描电化学显微镜用于细胞形貌和微组织结构表征；开发了非接触式磁力加载的表征方法，用于微组织力学行为表征；开发了基于稀土纳米上转化颗粒的凝胶荧光成像体系和基于转换纳米颗粒材料的荧光探针，分别用于表征水凝胶的降解和细胞示踪。基于以上三维微组织模型以及细胞微环境的调控和表征体系，发现基质刚度升高可促使微组织模型中心肌成纤维细胞向肌成纤维细胞转化，而干细胞可通过旁分泌的肝细胞生长因子的作用逆转这一过程；进一步研究揭示了血管紧张素II -1型受体和Smad7信号通络在上述过程中起到了重要作用；发现基质刚度和拉应变对三维微组织中细胞的铺展、增殖、排布和凋亡等具有重要影响，尤其是拉应变可促使三维微组织中成肌细胞分化为肌管；并且，结果也表明电学刺激对心肌组织形成和功能化具有明显促进作用。基于以上实验结果，建立了细胞感知基质刚度的模型以及纤维化心肌微组织中肌成纤维细胞与心肌细胞力-电耦合模型，从理论层面为纤维化心肌微组织模型的构建和优化以及力-电响应机制提供了指导。本项目研究结果对心肌纤维化的病理机理探讨以及心血管疾病的临床预防和治疗具有重要的促进作用。