撓曲剛度及微溝槽結構對心肌細胞成熟度影響之研究

Abstract

現今人類誘導多能幹細胞（HiPSCs）的開發和所開發的心肌細胞(hiPSC-CMs)分化技術是再生醫學和心血管的主要研究關鍵，但由於這些細胞是誘導分化而成，皆尚未成熟，若沒有像體內的生理環境刺激，將會影響後續篩藥及實驗結果的準確性，因此，如何提高心肌細胞成熟度成為重要的研究重點。在心臟藥物開發階段，需要耗費大量的時間及成本進行藥物篩檢，而現今商業所使用的多孔盤多為塑膠材料製成，雖然使用多孔盤進行大量且自動化篩檢的技術已非常成熟，但其底部為塑膠材質，材料硬度約2GPa左右，且厚度在1mm到0.5mm 之間，遠高於體內生理環境硬度，使在塑膠多孔盤上培養的心肌細胞發展較不成熟，與體內的生理訊表現有差異，將造成藥物篩選結果的失準。而目前常用於學界的材料為PDMS矽膠，其為硬度約3MPa的高柔性材料，較適合用來培養細胞及進行實驗，但PDMS缺點為製造價格昂貴，且不易大量生產製造及發展成商品化的產品。因此，本研究開發出以塑膠薄膜為基材，利用薄膜低撓曲剛度的機械性質，使其可以在心肌細胞收縮時產生彎曲形變，用以補償塑膠材料高於心肌細胞體內環境硬度約5個數量級的差異，可提供量產且更近似體內環境的全塑膠基材來培養心肌細胞。 為探討以降低膜厚來有效提升薄膜的柔性，本研究比較心肌細胞培養在75μm至5μm膜厚上的成熟度表現，並以理論推導及有限元素模擬驗證其柔性提升的效果，證明薄膜厚度對撓曲剛度及形變量的影響可達3個數量級，本研究並在薄膜上加入微溝槽結構，以再次降低薄膜的撓曲剛度並誘導心肌細胞排列，以促使其成熟。由實驗結果得知，當平面薄膜基材厚度由75μm下降至5μm，肌節長度平均增加了9.14%，而在單一心肌細胞培養條件下，肌節長度增加了7.05%，驗證了撓曲剛度及形變量對心肌細胞成熟度之影響。在基材加入微結構後，可以發現肌節長度在任何培養參數下，皆有明顯的增加，在75μm薄膜上提升6.04%，且培養於微溝槽上的心肌細胞在有電刺激的狀況下，其成熟度與沒有電刺激的組別沒有顯著的差異，證明以具有微溝槽的薄膜培養心肌細胞，可提供適當的基材機械性質來培養心肌細胞。本研究成功將薄膜塑膠基材轉化變為適合心肌細胞生長的高柔性基材，並結合的微溝槽結構達到提升細胞排列及成熟度的效果，未來將可能結合塑膠孔盤進行商業化製造，達到符合大量藥物篩檢的目標。