心脏芯片及其检测方法与应用

本发明涉及器官芯片的技术领域，尤其是指一种心脏芯片及其检测方法与应用。

背景技术：

筛选治疗心脏疾病的药物或者评估药物的心脏毒性，通常包括体外实验，体外实验主要包括如下步骤：（1）测定药物对心肌细胞电生理的影响；（2）测定药物对心肌细胞搏动强度和频率的影响。其中对于第二个步骤的通常做法是通过对搏动的心肌细胞录像，然后通过视频分析和数据处理，得到最终数据。这种做法无法直接观察和计量心肌细胞搏动的强度和频率，还有所得到的数据依赖于实验人员对视频中细胞的选择、对细胞轮廓的定义以及多个软件参数的设置，具有随机性、不准确性和不真实性，由于选择细胞的数量总是有限的，因此所得到的数据无法反应所有细胞整体搏动的状态，从而影响心脏药物评估的效率和准确性。

技术实现要素：

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中无法直接观察和计量心肌细胞搏动的强度和频率、无法反应所有细胞整体搏动的状态、效率低以及准确性低等缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供一种心脏芯片，包括依次层叠设置的盖板、第一基板、第二基板和底板，所述第一基板和所述第二基板之间设置有弹性层；

所述第一基板上设置有用于培养细胞的第一腔室；

所述第二基板上设置有第二腔室和第二连通部，所述第二连通部与所述底板贴合构成第二流体通道，所述第二流体通道连通所述第二腔室，所述第二腔室和所述第二流体通道内设置有可视化指示液；

其中所述第一腔室通过弹性层连接所述第二腔室，当所述第一腔室内培养成熟的心肌细胞搏动时，其搏动会带动弹性层变形，使得所述第二腔室膨胀或收缩，以带动可视化指示液在所述第二流体通道内往复运动，通过测定所述可视化指示液在第二流体通道内振动的幅度和频率直接测定心肌细胞搏动的强度和频率。

在本发明的一个实施例中，所述第一基板上还设置有第一连通部，所述第一连通部与所述弹性层贴合构成第一流体通道，所述第一流体通道连接所述第一腔室。

在本发明的一个实施例中，所述第一连通部设置在第一基板面对弹性层的一面。

在本发明的一个实施例中，所述弹性层为能够发生形变的弹性膜，所述弹性膜表面设置有粘附层。

在本发明的一个实施例中，所述弹性层设置有电极，或心脏相关细胞表面上连接有电极。

在本发明的一个实施例中，还包括可视化标尺，所述可视化标尺设置在所述第二基板或所述底板上，且所述可视化标尺靠近所述第二流体通道设置。

在本发明的一个实施例中，还包括通孔，所述通孔设置在所述盖板、第一基板、弹性层、第二基板和底板上，所述盖板、第一基板、弹性层、第二基板和底板通过所述通孔构成通路。

并且，本发明还提供一种使用如上述的心脏芯片模拟心肌细胞搏动强度和频率的检测方法，包括以下步骤：

向第一腔室内加入细胞培养液进行心脏相关细胞培养，同时向第二腔室和第二流体通道内加入可视化指示液；

待粘附在弹性层上的心肌细胞成熟后，心肌细胞的搏动带动弹性层变形，使得所述第二腔室膨胀或收缩，以带动可视化指示液在所述第二流体通道内往复运动，通过测量所述可视化指示液在第二流体通道内振动的幅度和频率直接测定心肌细胞搏动的强度和频率。

在本发明的一个实施例中，所述心肌细胞搏动的强度和频率通过所述可视化标尺测定。

此外，本发明还提供一种上述的心脏芯片在体外培养心肌细胞、模拟心脏器官并进行药物筛选评估的应用。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明通过测量可视化指示液在第二流体通道内周期性往复运动的幅度和频率来测定心肌细胞搏动的强度和频率，即将心肌细胞的搏动转化为可视化指示液在第二流体通道内的振动，直接观察和计量所有心肌细胞整体搏动的强度和频率，从而大幅提高心脏药物评估的效率和准确性。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是本发明实施例一中优选方案的结构示意图。

图3是本发明实施例三中吴茱萸碱加药前心肌细胞搏动的状况示意图。

图4是本发明实施例三中吴茱萸碱加药后心肌细胞搏动的状况示意图。

图5是本发明实施例三中吴茱萸碱加药前心肌细胞电生理的状况示意图。

图6是本发明实施例三中吴茱萸碱加药后心肌细胞电生理的状况示意图。

说明书附图标记说明：1、盖板；2、第一基板；3、弹性层；4、第二基板；5、底板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例一

下面对本发明提供的一种心脏芯片实施例一进行介绍，参见图1，实施例一包括：

请参见图1所示，一种心脏芯片包括盖板1、第一基板2、弹性层3、第二基板4和底板5，盖板1上设置有第一通孔，其中部分第一通孔用于连接流体管路，部分第一通孔用于插设螺杆，还有部分第一通孔用于连接电极；第一基板2上设置有用于培养细胞的第一腔室、第一连通部和第二通孔；弹性层3设置有第三通孔；第二基板4上设置有第二腔室、第二连通部和第四通孔，底板5上设置有用于插设螺杆的第五通孔。

可以想到的是，基板的材料可以选自石英、玻璃、pmma、pdms聚合物、聚碳酸酯、聚酯、琼脂糖、壳聚糖、pc/abs或海藻酸钠中的一种或多种，当然还可以是其他材料，本发明不以此为限制。

盖板1、第一基板2、弹性层3、第二基板4和底板5依次层叠贴合后，盖板1通过第一通孔连通第一基板2，第一基板2面对弹性层3的一面设置有第一连通部，第一连通部与弹性层3贴合构成第一流体通道，第一流体通道连接第一腔室，即第一基板2通过第一流体通道连通弹性层3，第二腔室设置在第二基板4上，弹性层3将第一腔室和第二腔室连接但不连通，第二基板4面对底板5的一面设置有第二连通部，第二连通部与底板5贴合构成第二流体通道，第二流体通道连接第二腔室，即第二基板4通过第二流体通道连通底板5。

可以想到的是，第一流体通道和第二流体通道的截面可以为矩形、梯形、半圆形或半椭圆形，当然还可以是其他形状，本发明不以此为限制。

其中，第一腔室的作用是用于培养细胞，可以是细胞、细胞球、组织和类器官中的一种或几种，而且细胞、细胞球、组织和类器官可以来源于各种器官或组织。

进一步地，第一腔室的数量为多个，其中至少有一个第一腔室用于培养心脏相关细胞或组织，且培养心脏相关细胞或组织的第一腔室通过弹性层3连接第二腔室，即第一腔室的正下方为第二腔室，也就是说弹性层3既是第一腔室的底面，同时也是第二腔室的顶面，如此心肌细胞的搏动能够带动弹性层3变形，使得第二腔室膨胀或收缩。

第二腔室和第二流体通道内设置有可视化指示液，为了便于更加直观的观察到可视化指示液的状态，作为优选的，可视化指示液可以为有颜色的可视化指示液，例如可视化指示液为红色，当第一腔室内培养成熟的心肌细胞搏动时，其搏动会带动弹性层3变形，使得第二腔室膨胀或收缩，以带动红色的可视化指示液在第二流体通道内往复运动，通过可视化指示液在第二流体通道内振动的幅度和频率直接测定心肌细胞搏动的强度和频率。

可以想到的是，第一腔室和第二腔室的形状可以为圆柱体、长方体或正方体，当然还可以是其他形状，本发明不以此为限制。

可以想到的是，可视化指示液可以为不易挥发性液体，例如油，油不易挥发，能够较长时间的保存在第二腔室和第二流体通道内。

还包括可视化标尺，可视化标尺设置在第二基板4上，且可视化标尺靠近第二流体通道设置，通过可视化标尺直接测定心肌细胞搏动的强度和频率。作为一种变形，可视化标尺也可以设置在底板5上，同样可以实现直接测定心肌细胞搏动的强度和频率的功能。

弹性层3为能够发生形变的弹性膜，弹性膜表面设置有粘附层，作为优选的，弹性膜表面设置有用于粘附心脏相关细胞的粘附层，使得心肌细胞粘附在弹性膜上，如此使得心肌细胞的搏动能够带动弹性膜变形。当然培养心脏相关细胞、细胞球、组织或类器官的第一腔室内也可以设置粘附层。

更进一步地，本发明还可以同时测定心肌细胞的电生理，可以在弹性膜上设置电极，该电极优选柔性电极。作为一种变形，培养（可以为三维培养）的心肌细胞的表面连接有电极，同样可以实现测量心肌细胞的电生理性质的功能。

请参见图2所示，图2为本发明心脏芯片的一个优选方案的结构示意图，图中标记说明如下：盖板1上的第一通孔1-1，1-2，1-3和1-4用于连接流体管路；第一通孔1-5，1-6，1-7和1-8用于插设螺杆；第一通孔1-9和1-10用于连接电极。第一基板2上的第一腔室2-5、2-6和2-8用于培养细胞；第一连通部2-7用于连接第一腔室2-5和第一腔室2-6，第一连通部2-11用于连接第一腔室2-6和第一腔室2-8；第二通孔2-1，2-2，2-3和2-4用于连接流体管路；第二通孔2-9和2-10用于连接电极。弹性层3上的第三通孔3-3和3-4用于连接流体管路；电极3-5和3-6用于测量心肌细胞的电生理性质。第二基板4上的第二腔室4-5内充满可视化指示液；第二连通部4-6用于连接第二腔室4-5；第四通孔4-3和4-4用于连接流体管路；可视化标尺4-7用于测定心肌细胞的强度和频率。底板5上的第五通孔5-5，5-6，5-7和5-8用于插设螺杆。

当盖板1、第一基板2、弹性膜、第二基板4和底板5紧密贴合时，第一腔室2-5、2-6和2-8的顶面和底面分别与盖板1和弹性膜贴合，其构成具有弹性底面的第一腔室2-5，其中第一腔室2-5可以用于培养心肌细胞，第一腔室2-6可以用于三维培养肝实质细胞，第一腔室2-8可以用于三维培养脂肪细胞，还有第一连通部2-7和弹性膜贴合构成其中一个第一流体通道，该第一流体通道连接第一腔室2-5和第一腔室2-6，同样的，第一连通部2-11和弹性膜贴合构成另外一个第一流体通道，该第一流体通道连接第一腔室2-6和第一腔室2-8。

其中盖板1上的第一通孔1-1、第一基板2上的第二通孔2-1和弹性膜构成其中一个通路，盖板1上的第一通孔1-2、第一基板2上的第二通孔2-2和弹性膜构成另外一个通路，通过这两个通路可以向第一腔室2-5、2-6、2-8内加入细胞培养液和药物。

第二腔室4-5的顶面和底面分别与弹性膜和底板5贴合，其构成具有弹性顶面的第二腔室4-5，还有第二连通部4-6与底板5贴合构成第二流体通道，该第二流体通道连通第二腔室4-5。

其中盖板1上的第一通孔1-3、第一基板2上的第二通孔2-3、弹性膜上的第三通孔3-3，第二基板4上的第四通孔4-3和底板5构成其中一个通路，其中盖板1上的第一通孔1-4、第一基板2上的第二通孔2-4、弹性膜上的第三通孔3-4，第二基板4上的第四通孔4-4和底板5构成另外一个通路，通过这两个通路，可以向第二腔室4-5和第二流体通道内灌注可视化指示液，其中第二腔室4-5和第二流体通道内的可视化指示液可以为同种液体，例如红色的油，红色的油要充满第二腔室4-5，并且红色的油灌注到可视化标尺4-7一半的地方为止。当粘附在弹性膜上的心肌细胞成熟后，其开始搏动，从而使弹性膜发生周期性形变，使得第二腔室4-5膨胀或收缩，以带动红色的可视化指示液在第二流体通道内往复运动，通过可视化指示液在第二流体通道内振动的强度和频率直接测定心肌细胞搏动的强度和频率。

本发明通过可视化指示液在第二流体通道内运动的强度和频率直接测定心肌细胞搏动的强度和频率，即将心肌细胞的搏动转化为可视化指示液在第二流体通道内的往复运动，从而直接观察和计量所有心肌细胞整体搏动的强度和频率，能够反应所有细胞整体搏动的状态，大大提高了心脏药物评估的效率和准确性。

本发明还可以集成其他器官，譬如肝器官，从而直接研究药物肝代谢产物的心脏毒性或药效，更进一步，还可以集成更多的其他器官，从而模拟人体，因此在仿人体的环境下，测量药物的心脏毒性或药效，即本发明最终提供了一种全新的、高仿生的心脏药物筛选的体外平台。

实施例二

下面以实施例一中的图2所示的优选方案为例，对本发明提供的一种使用心脏芯片模拟心肌细胞搏动强度和频率的检测方法实施例二进行介绍。

一种使用心脏芯片（这里指实施例一中的心脏芯片）模拟心肌细胞搏动强度和频率的检测方法，包括以下步骤：

s10、向第一腔室2-5内加入细胞培养液进行心脏相关细胞培养，同时向第二腔室4-5和第二流体通道内加入可视化指示液。

示例地，请参见图2所示，通过盖板1、第一基板2和弹性膜构成的两个通路（1-1，2-1，3构成一个通路和1-2，2-2，3构成另外一个通路）分别向第一腔室2-5、2-6和2-8内加入心肌细胞培养液、肝实质细胞培养液和脂肪细胞培养液。

示例地，请继续参见图2所示，通过盖板1、第一基板2、弹性膜、第二基板4和底板5构成的两个通路（1-3，2-3，3-3，4-3，5构成一个通路和1-4，2-4，3-4，4-4，5构成另外一个通路）向第二腔室4-5和第二流体通道内灌注红色的油，红色的油要充满第二腔室4-5，并且红色的油灌注到可视化标尺4-7一半的地方为止，然后将通孔（1-3，2-3，3-3，4-3，5）堵塞掉，保留通孔（1-4，2-4，3-4，4-4，5）开口。

s20、待粘附在弹性膜上的心肌细胞成熟后，心肌细胞的搏动带动弹性膜变形，使得第二腔室4-5膨胀或收缩，以带动可视化指示液在第二流体通道内往复运动，通过可视化指示液在第二流体通道内振动的幅度和频率直接测定心肌细胞搏动的强度和频率，其中心肌细胞搏动的强度和频率通过可视化标尺测定。

实施例三

下面对本发明提供的一种心脏芯片的应用实施例三进行介绍，实施例三基于上述实施例一和实施例二实现，并在实施例一和实施例二的基础上进行了一定程度上的拓展。

本实施例提供了心脏芯片在体外培养心肌细胞的应用，其心脏芯片的具体结构、通孔的标记和腔室的标记如图2所示。关于图2中心脏芯片的具体内容已经在实施例一中做出了详尽的阐述，本实施例在这里不做赘述。

在本实施例中，请参见图2所示，可以向第一腔室2-5内加入细胞培养液进行心脏相关细胞培养，例如通过盖板1、第一基板2和弹性膜构成的两个通路（1-1，2-1，3构成一个通路和1-2，2-2，3构成另外一个通路）分别向第一腔室2-5、2-6和2-8内加入心肌细胞培养液、肝实质细胞培养液和脂肪细胞培养液。

实施例四

下面对本发明提供的一种心脏芯片的应用实施例四进行介绍，实施例四基于上述实施例三实现，并在实施例三的基础上进行了一定程度上的拓展。

本实施例提供了心脏芯片在模拟心脏器官并进行药物筛选评估的应用，其心脏芯片的具体结构、通孔的标记和腔室的标记如图2所示。关于图2中心脏芯片的具体内容已经在实施例一中做出了详尽的阐述，本实施例在这里不做赘述。

在本实施例中，请参见图2所示，通过盖板1、第一基板2和弹性膜构成的两个通路（1-1，2-1，3构成一个通路和1-2，2-2，3构成另一个通路）分别向第一腔室2-5、2-6和2-8内加入心肌细胞培养液、肝实质细胞培养液和脂肪细胞培养液进行细胞培养，并且通过盖板1、第一基板2、弹性膜、第二基板4和底板5构成的两个通路（1-3，2-3，3-3，4-3，5构成一个通路和1-4，2-4，3-4，4-4，5构成另一个通路）向第二腔室4-5和第二流体通道内灌注红色的油，红色的油要充满第二腔室4-5，且红色的油灌注到可视化标尺4-7一半的地方为止，然后将通孔（1-3，2-3，3-3，4-3，5）堵塞掉，保留通孔（1-4，2-4，3-4，4-4，5）开口。

当黏附在弹性膜上的心肌细胞成熟后，其开始搏动，从而使弹性膜发生周期性形变，使得第二腔室4-5膨胀或收缩，以带动红色的可视化指示液在第二流体通道内往复运动，即可视化指示液在第二流体通道内发生周期性的膨胀和收缩，通过可视化指示液膨胀和收缩的速率和强度，可直观地判断心肌细胞搏动的频率和强度。

首先利用可视化标尺记录心肌细胞搏动的频率和强度（如图3所示），以及利用电极（3-5,3-6）记录电生理信号（如图5所示），然后将吴茱萸碱通过通路（第一通孔1-2，第二通孔2-2和弹性膜构成的通路）加入到芯片中，吴茱萸碱首先流经第一腔室2-8内的脂肪细胞，被脂肪代谢后，然后流经第一腔室2-6内的三维培养的肝细胞，被肝细胞代谢后，代谢物和原药再流入到第一腔室2-5内与心肌细胞相互作用，24小时后，再记录心肌细胞搏动的频率和强度（结果如图4所示），以及电生理信号（结果如图6所示）。

从图3至图6可以看出心肌细胞与吴茱萸碱和其代谢物作用后，心肌细胞的搏动频率变快了，说明吴茱萸碱和其代谢物具有加快心跳的作用，结合心肌细胞电生理信号发生了变化，说明吴茱萸碱具有一定的心脏毒性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。