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武漢大學常春雨/湖北大學張冬卉課題組《Small》：利用納米纖維素的有序排列實現心肌細胞的可視化監控

2022-09-15 來源：高分子科技

纖維素納米晶體在剪切力的作用下，形成高度有序的排列，在正交偏振片下呈現均勻的干涉色。這種干涉色源于各向異性材料在垂直和平行于取向方向產生兩束偏振光的相位差。該相位差與材料厚度、折射率差（雙折射率）和入射光波長相關。因此，當材料厚度和雙折射率發生變化時，會產生相位差的變化，進而改變干涉色。

近期，武漢大學常春雨教授課題組與湖北大學張冬卉教授課題組合作將剪切取向的海鞘纖維素納米晶體（TCNC）固定在水凝膠網絡結構中，利用心肌細胞收縮/舒張引起水凝膠干涉色變化的特性，將其用于心肌細胞的可視化監控。該工作以“Micropatterned Hydrogels with Highly Ordered Cellulose Nanocrystals for Visually Monitoring Cardiomyocytes”為題發表在《Small》上。

將TCNC在凝膠預聚液中剪切取向，利用光掩膜紫外光引發聚合制備表面具有條紋凹槽結構的各向異性水凝膠薄膜（圖1）。將心肌細胞接種水凝膠薄膜表面，誘導其定向生長。在心肌細胞收縮/舒張過程中，水凝膠懸臂發生形變，引起水凝膠干涉色同步變化，通過結合微區光譜儀監測心肌細胞的變化。此外，水凝膠的每個懸臂均可實現微型化，為體外高通量可視化檢測心肌細胞收縮力提供可能。

圖1. TCNC基水凝膠表面微圖案制備示意圖

水凝膠表面為緊密堆積、定向排列的納米纖維，2D XRD證明TCNC在水凝膠網絡結構具有高度取向結構。3D光學輪廓儀顯示TCNC基水凝膠表面凹槽尺寸較為均勻，有明顯高度差，凹槽凸面的寬度、凹面的寬度、凹面的深度分別為25 ± 5, 21 ± 4, and 3 ± 0.4 μm。在水凝膠表面培養心肌細胞后，隨著細胞收縮，光學水凝膠彎曲TCNC排列發生改變產生光程差，干涉色由藍色變為綠色、黃色和紅色。心肌細胞收縮力越大，干涉色顏色變化范圍越大。同時，使用微區光譜儀分析心肌細胞在電場及藥物刺激下的實時變化，實現對心肌細胞的收縮頻率的定量檢測。通過這種非侵入細胞的手段，可以減少組織毒性，延長對細胞的監測時間（圖2）。

圖2.TCNC光學水凝膠對心肌細胞實時檢測。

為提高測試效率并增加獨立疾病模型的數量，設計出一種多腔室裝置，通過對光掩膜尺寸改變，縮小了每片凝膠懸臂的大小，使用相同面積的光掩模，能夠制作出更多的微型水凝膠懸臂，并為微型水凝膠懸臂做出了適配的高通量腔室，能同時檢測更多的心肌細胞的收縮舒張情況，且利用硅膠進行隔離的腔室之間互不干擾，能同時測試不同培養條件下的心肌細胞收縮功能，為新型心臟器官芯片的研發提供了實驗基礎（圖3）。

圖3. 多腔室藥物篩選裝置。

本工作提出一種簡單且有效的策略制備功能性水凝膠，其表面具有微圖案化、內部包含有序的納米纖維素。心肌細胞的自主搏動可以驅動水凝膠懸臂同步變形，引起水凝膠干涉色周期性變化，從而實現心肌細胞收縮力的可視化。為更高效的對心肌細胞進行評估，將上述水凝膠微型化后集成到高通量設備內，形成一個多腔室大規模的系統，能在同一視野下實時監測多組心肌的收縮力的變化，提高檢測效率。本工作不僅為體外心肌細胞研究提供了新思路，也為單個心肌細胞檢測和體外心臟組織工程可視化檢測提供了可能。

本論文的第一作者為武漢大學化學與分子科學學院博士生王君玫，目前在贛南師范大學工作，共同第一作者為湖北大學生命科學學院研究生劉倩，通訊作者為武漢大學常春雨教授和湖北大學張冬卉教授。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202202235

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（責任編輯：xu）

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