摘要：在现代社会，塑料无处不在，它们便捷了我们的生活，却也悄悄带来了环境危机。然而，那些被随意丢弃的塑料垃圾，经过分解，变成了看不见的微塑料和纳米塑料，它们正悄无声息地进入我们的体内，甚至可能对我们的心脏健康构成威胁。最近，一项突破性的研究发现，这些微小的塑料颗粒可
在现代社会，塑料无处不在，它们便捷了我们的生活，却也悄悄带来了环境危机。然而，那些被随意丢弃的塑料垃圾，经过分解，变成了看不见的微塑料和纳米塑料，它们正悄无声息地进入我们的体内，甚至可能对我们的心脏健康构成威胁。最近，一项突破性的研究发现，这些微小的塑料颗粒可能正悄悄地影响着我们的心脏功能。让我们一起探索这些心脏的“隐藏敌人”，了解它们是如何影响我们的健康，以及科学家们是如何在实验室中揭开这一谜团的。
文章介绍
题目：揭开心脏隐藏敌人的面纱：基于心脏芯片上类风湿组织对聚苯乙烯纳米塑料诱导的心脏毒性的动态观察
杂志：ACS Nano
影响因子：IF=15.8
发表时间：2024年11月
#1
研究背景
Background
全球塑料制品因其便利被广泛使用，但处理不当导致塑料废物在环境中积累，形成微塑料和纳米塑料，这些污染物已在人体多个器官中被发现，引发健康担忧。动物实验显示，这些塑料颗粒能穿透生理屏障，积累在器官中，造成多方面的毒性损伤。
传统研究方法受限于模型的种间差异和缺乏细胞间通讯，未能全面评估微塑料和纳米塑料对心脏的短期和长期影响。目前，对这些塑料颗粒在病理状态下如何影响心脏的了解甚少，但在病理条件下，心脏可能更易受到这些颗粒的影响。
为了解决这些问题，研究者采用了类器官和器官芯片技术。类器官是由人类干细胞分化而成的三维细胞培养物，能模拟复杂的细胞结构，成为评估环境污染物毒性的新工具。基于器官芯片的疾病模型在模拟心脏损伤方面显示出潜力，为研究微塑料和纳米塑料对心脏的影响提供了新的平台。本研究通过开发心脏类器官芯片，旨在提供一个能够动态观察塑料颗粒对心脏影响的体外平台，以评估其心脏毒性。
#2
研究思路
Methods
开发一种新的实验模型——心脏类器官芯片（COoC），结合心脏类器官（CO）和器官芯片（OoC）技术，以更准确地模拟人类心脏的生理和病理状态。
通过多个维度验证COoC模型的可靠性，包括心脏收缩功能、基因表达模式、对药物刺激的反应等。
对COoC模型进行动态观察，研究短期和长期暴露于聚苯乙烯纳米塑料（PS-NP）对心脏功能和结构的影响。
探索PS-NP诱导的心脏毒性的潜在机制，包括氧化应激、炎症、钙离子稳态失衡、线粒体功能障碍和心脏纤维化
研究低剂量PS-NP在病理状态下（如心肌梗死）对心脏的影响，以及是否加剧了病理症状。
利用RNA测序、GO分析、KEGG分析等生物信息学工具，对COoC模型中基因表达的变化进行深入分析，以揭示PS-NP诱导的心脏毒性的分子机制。
#3
研究结果
Results
1. COoC的鉴定
将CO接种在芯片的培养通道上，在机械刺激后分化。经过7天培养，CO形成直径约600纳米的致密球体，并在20天后保持稳定的节律性收缩。钙离子瞬态测量证实了钙在心肌细胞兴奋-收缩耦合中的关键作用。全片染色和切片染色显示CO包含心肌细胞、成纤维细胞和内皮细胞，其中心肌细胞标志物cTnT和α-SA表达为主，而成纤维细胞和内皮细胞标志物Col1A2、Col3A1和Pecam-1表达较少（图1、图8）。
图1
图8
2. CO在COoC中的基因表达
RNA-seq分析显示，与iPSC相比，CO在COoC中表现出33,134个差异表达基因。GO分析发现与心脏结构和功能成熟相关的基因显著富集。细胞多能性标记下调，而心肌细胞、成纤维细胞和内皮细胞标记上调。RNA-seq证实对心脏传导、钙处理和脂肪酸β-氧化相关基因表达增强。这些分子特征表明了异质细胞群体特征的出现，并强调了COoC达到的功能成熟度（图2）。
图2
3. 外源刺激对COoC反应的评价
研究人员使用心脏反应性药物对COoC进行了外源刺激的敏感性评估。研究发现，异丙肾上腺素能增强COoC的收缩频率，而硝苯地平抑制收缩幅度。E-4031引发心律失常，显示COoC能重现临床相关的心功能障碍。阿霉素和柔红霉素两种心脏毒性药物引起ATP水平升高和细胞损伤标志物增加，而辅酶Q10无不良影响，验证了COoC的特异性。这些数据表明COoC在评估心脏毒性方面具有潜力（图3）。
图3
4. 短、长期暴露后PS-NP的摄取、积累及对心脏收缩的影响
基于COoC，研究发现PS-NP对心脏的毒性效应。CO在暴露PS-NP后12小时出现初始兴奋反应，但24小时后高剂量导致收缩幅度受损。连续暴露3天后，中等和高浓度PS-NP对收缩幅度产生不利影响，10天后收缩功能进一步减弱。研究还观察了短期和长期暴露后的心脏毒性效应，并探讨了剂量-反应关系。CO对PS-NP的吸收和积累呈剂量依赖性，即使在暴露后第14天，PS-NP在CO中的荧光强度仍然明显，流式细胞术显示70%的细胞保留了高浓度的PS-NP（图4）。
图4
5. 短、长期PS-NP暴露对心脏损伤的评价与比较
研究发现高剂量PS-NP暴露后类器官形态学发生变化，圆度比下降和超周长指数增加，长期暴露导致直径显著增加。活-死染色显示长期暴露可能引起细胞死亡。心脏生物标志物LDH和cTnT在短期和长期暴露后均升高，表明心肌损伤。RNA-seq分析显示，PS-NP迅速内化至心脏细胞，引起氧化应激和炎症反应相关途径的显著富集、离子转运中断和线粒体损伤。长期暴露持续激活炎症反应和钙信号通路显著富集，同时激活与胶原和细胞外基质动力学相关的通路，表明心脏纤维化进展（图5）。
图5
6. 短期和长期PS-NP暴露后炎症、氧化应激、钙处理、线粒体功能障碍和纤维化的动态观察
RNA-seq分析揭示炎症、氧化应激、线粒体功能障碍、钙处理紊乱和纤维化是PS-NP诱导心脏损伤的关键事件。短期暴露引发炎症和氧化应激，10天后这些反应有所减弱。实时钙瞬态分析显示PS-NP导致钙处理损伤。钙瞬态振幅下降，峰间瞬态时间延长，表明钙内流和SR介导的钙恢复效率降低。SERCA活性受到抑制，可能导致线粒体钙超载和mPTP打开，线粒体功能障碍。长期暴露后心肌纤维化明显，表现为晚期心脏损伤，而短期暴露未引起纤维化标志物的转录变化（图6）。
图6
7. 低剂量PS-NP暴露加重缺氧/去甲肾上腺素诱导的心肌梗死症状
长期暴露于PS-NP与心肌梗死（MI）风险增加显著相关，可引起类似MI的症状，包括炎症、氧化应激、钙超载、线粒体损伤和纤维化。在健康模型中未观察到明显的心脏损伤，但在病理状态下，低剂量PS-NP可能加重心肌梗死症状。在心肌梗死模型中，低剂量PS-NP处理导致更严重的心脏损伤，表现为搏动幅度降低、LDH水平升高和细胞凋亡增加。联合暴露还导致细胞骨架丢失和线粒体氧化磷酸化过程受到抑制，影响ATP生成和呼吸功能。此外，低剂量PS-NP可独立诱导线粒体呼吸链损伤（图7）。
图7
小结
本研究通过构建COoC模型，首次动态观察到PS-NP对心脏的潜在危害。研究发现，PS-NP不仅能引起心脏细胞的氧化应激和炎症反应，还可能破坏钙离子平衡和线粒体功能，最终导致心脏纤维化。更重要的是，这些纳米塑料颗粒在病理状态下，如心肌梗死，可能加剧心脏损伤。这项研究不仅加深了我们对微塑料和纳米塑料心脏毒性的理解，还为评估心脏毒性提供了一个有前景的体外实验平台，也为开发新的心脏疾病治疗策略和评估心脏毒性提供了有力的工具。
参考文献
Zhang T, Yang S, Ge Y, Yin L, Pu Y, Gu Z, Chen Z, Liang G. Unveiling the Heart's Hidden Enemy: Dynamic Insights into Polystyrene Nanoplastic-Induced Cardiotoxicity Based on Cardiac Organoid-on-a-Chip. ACS Nano. 2024 Nov 1. doi: 10.1021/acsnano.4c13262. Epub ahead of print. PMID: 39482939.
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来源：培养盒守护者
