マイクロファブリケーション灌流可能な心臓ビオワイヤ：ネイティブの心臓バンドルを模倣するプラットフォーム

組織工学により、in vitroでの事前臨床試験のための3次元（3D）機能心臓組織の生成を可能にします。これは、新薬開発に重要です。ただし、現在の組織工学方法は、支持毛細血管を備えた配向された心臓束のアーキテクチャをあまり再現していません。この研究では、原発性新生児ラットの心筋細胞とヒト胚性幹細胞（HESC）由来の心筋細胞の両方を使用して、生物ワイヤと呼ばれる3Dマイクロ組織を生成するために、マイクロファブリケートのバイオリアクターを設計しました。灌流可能な心臓の生物ワイヤは、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）チューブテンプレートで生成され、カーボンロッド電極を使用した電界刺激と統合されました。医薬品試験のためのこのプラットフォームの実現可能性を実証するために、一酸化窒素（NO）を灌流したニトロプロシドナトリウム（SNP）溶液から放出し、チューブを介して拡散しました。HESC由来の心筋細胞に基づいて心筋筋細胞の自発的な鼓動を減速させ、生物筋細胞内の心筋細胞の筋原細胞骨格を分解しました。Biowiresは、カーボンロッド電極を使用して電気刺激と統合され、組織化された収縮装置、Higher Young Modulus、および改善された電気特性によって示されるように、心筋細胞の表現型をさらに改善しました。このマイクロファブリケーションプラットフォームは、心臓バンドルモデルでの灌流により、in vitroでの心臓組織に対する薬理学的効果を評価するユニークな機会を提供し、生理学的関連性を改善できます。

Tissue engineering enables the generation of three-dimensional (3D) functional cardiac tissue for pre-clinical testing in vitro, which is critical for new drug development. However, current tissue engineering methods poorly recapitulate the architecture of oriented cardiac bundles with supporting capillaries. In this study, we designed a microfabricated bioreactor to generate 3D micro-tissues, termed biowires, using both primary neonatal rat cardiomyocytes and human embryonic stem cell (hESC) derived cardiomyocytes. Perfusable cardiac biowires were generated with polytetrafluoroethylene (PTFE) tubing template, and were integrated with electrical field stimulation using carbon rod electrodes. To demonstrate the feasibility of this platform for pharmaceutical testing, nitric oxide (NO) was released from perfused sodium nitroprusside (SNP) solution and diffused through the tubing. The NO treatment slowed down the spontaneous beating of cardiac biowires based on hESC derived cardiomyocytes and degraded the myofibrillar cytoskeleton of the cardiomyocytes within the biowires. The biowires were also integrated with electrical stimulation using carbon rod electrodes to further improve phenotype of cardiomyocytes, as indicated by organized contractile apparatus, higher Young's modulus, and improved electrical properties. This microfabricated platform provides a unique opportunity to assess pharmacological effects on cardiac tissue in vitro by perfusion in a cardiac bundle model, which could provide improved physiological relevance.