为了解决心血管疾病的全球负担，迫切需要早期筛查技术和有效的治疗方法。然而，医学研究界面临着重大挑战，包括临床试验中候选药物的高失败率以及围绕使用实验动物的伦理问题。静态细胞培养模型在复制复杂的组织级微环境方面也存在不足。

组织工程和微流体学的最新进展为心脏芯片模型的发展铺平了道路。这些模型旨在模拟心肌细胞、成纤维细胞和内皮细胞的作用，它们对正常的心脏功能都至关重要。心肌细胞管理心脏收缩和电信号，成纤维细胞维持结构完整性，内皮细胞调节血管系统。

先前的研究报道了包含诱导多能干细胞(iPSC)衍生的心肌细胞和成纤维细胞的双培养系统，不包括内皮细胞功能。为了弥补这一差距，日本冈山大学医学、牙科和制药科学研究生院的Ken Takahashi副教授、Keiji Naruse教授和Yun Liu博士于2024年8月8日在《科学报告》上发表了一项研究。Takahashi博士评论道:“在这项研究中，我们利用iPSCs、成纤维细胞和内皮细胞开发了一种3D心脏芯片模型，旨在模拟心脏组织的解剖结构。”

芯片上的心脏模型被设计成包括两个由中央膜隔开的通道。将人脐静脉内皮细胞(HUVECs)播种于底部通道和ipsc，将人牙龈成纤维细胞(HGFs)播种于顶部通道。微流体通道模拟细胞内血流。

该研究成功地复制了内皮细胞的形态和功能。为了响应剪切应力模拟，内皮细胞通过适当定向f -肌动蛋白使自身与介质流动平行，从而模拟体内条件。CD31是一种细胞-细胞连接蛋白，在调节血管通透性中起关键作用。血管通透性增加可导致内皮功能障碍，促进动脉粥样硬化的进展。本研究表明，通过CD31染色证实，中流量促进了内皮细胞的完整性，并降低了血管通透性。此外，心肌肌钙蛋白t (cTnT)和IRX4(心肌细胞标志物)的存在表明高收缩性。Takahashi博士指出:“与双培养组(30.2±13.5%，n = 6)相比，三培养组共表达cTnT和IRX4的细胞百分比(56.3±14.7%，n = 5)显著升高(P < 0.05)。”

本研究通过复制去甲肾上腺素(NA)对心肌细胞的作用，证明了人类心脏组织的功能。Takahashi博士指出:“心脏组织对NA的反应表现出剂量依赖性的心率增加。”此外，硝苯地平(一种二氢吡啶钙通道阻滞剂)可降低心脏收缩力，延长QT间期，提示有潜在的心脏毒性。

进一步的研究应该集中在将炎症反应与免疫细胞结合起来，以增强芯片心脏模型。将器官模型的生存能力延长到60天以上将大大降低成本并实现重要的研究目标。

通过提供更安全、更有效的药物和消除动物试验的需要，利用患者来源的多能细胞创建器官芯片模型正在改变个性化医疗。这一进步不仅使研究更加合乎伦理，而且提高了我们研究心脏功能、预测药物反应和加速创新疗法开发的能力。