复旦口腔刘月华教授、刘婷姣教授团队发表AFM卷首文章：骨骼肌模拟平台研究获得新突破

健康 2024-11-19 17:08 北京

近日，上海市口腔医院·复旦大学附属口腔医院刘月华教授、刘婷姣教授团队开发了一种易于制造的骨骼肌类器官芯片（SMO）平台，该研究成果以“工程化各向异性骨骼肌类器官芯片用于解析间歇性低氧下肌肉的反应”（An Engineered Anisotropic Skeletal Muscle Organoid-on-a-Chip for Deciphering Muscle Response under Intermittent Hypoxia）为题，作为杂志卷首文章发表于材料科学顶级期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials），展现出未来在模拟肌肉疾病研究以及再生治疗领域的巨大潜力。

复旦大学附属口腔医院博士后李娇等为该文章共同第一作者，复旦大学附属口腔医院刘月华教授和刘婷姣教授为本文的共同通讯作者。

骨骼肌是人体最丰富的组织，其收缩功能在维持生命中起着举足轻重的作用。充足的氧气供应对于有效的肌肉收缩、维持体内平衡和调节细胞增殖和分化等过程至关重要。然而，供氧不足可导致骨骼肌功能障碍。间歇性缺氧（IH）以低氧血症和再氧合周期为特征，常见于阻塞性睡眠呼吸暂停（OSA）、慢性阻塞性肺病和COVID-19等患者中，并与广泛的肌肉功能障碍有关。因此，系统全面地分析IH条件下骨骼肌的功能、形态和分子标志物，并阐明其潜在机制，对于改进临床诊断和治疗方法至关重要。

体外成功构建稳定且仿真的骨骼肌微组织，是肌肉疾病建模和再生领域治疗的重要挑战。传统2D模型在此显示了明显不足，如诱导形成的肌纤维不成熟、方向随机，缺乏体内3D生长环境，难以模拟肌肉收缩功能等。近些年来，类器官芯片技术的发展有效整合了器官芯片和类器官的优势，更加有效地模仿了体内组织的结构功能和理化微环境，为研究复杂生物现象提供了创新策略。

文章报道，研究人员开发了一种简单制造的骨骼肌类器官芯片（SMO）平台。该平台通过在细胞两端创造机械边界约束形成的各向异性的生物物理微环境，促进了肌纤维在3D空间中的有序排列，通过形态表征和功能特性分析证明SMOs形成的微组织与体内肌肉的相似性。相比较于3D各向同性，各向异性的生物物理微环境更有助于肌肉结构和功能的成熟。

图1 开发构建各向异型肌肉类器官芯片平台

研究人员利用鼠和人源SMOs平台，通过评估肌肉收缩功能、肌纤维形态、标志物表达、钙离子稳态和代谢等指标，深入探究了肌肉对不同程度低氧（IH）的响应。他们发现，轻至中度的IH可促进肌肉形态和功能的适应性增强，而重度IH则可能导致肌肉损伤和失代偿。研究进一步揭示了在中度IH条件下，AMPK和FoxO通路的协调激活有助于维持肌肉结构和功能完整性，通过调节蛋白质合成和降解减少氧气需求，并启动炎症通路和自噬以清除氧化损伤。然而，在重度IH下，TGF-β、细胞衰老和铁死亡等通路激活以及细胞骨架和细胞外基质的流失等，促进了纤维化，导致病理性肌肉萎缩。

图2 研究揭示了骨骼肌对各种IH条件的适应性反应和损伤阈值，强调复氧的肌肉适应和恢复潜能，并确定潜在药物的保护性治疗，从而为未来的治疗策略提供信息

文章最后，研究人员通过对损伤的肌肉进行复氧处理，评价了代偿和损伤阶段的肌肉自我修复能力，并通过药理学检测，评价了抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸（NAC）和白藜芦醇（RES）对损伤肌肉的保护作用。以上研究构建的芯片平台具有简易操作、可高通量和无需复杂的仪器设备等优势，突显了其在肌肉疾病建模与再生治疗领域中应用的巨大潜力。

原文：https://doi.org/10.1002/adfm.202401564

（本文源于上海市口腔医院·复旦大学附属口腔医院）

本期编辑：CMT小米

监制：CMT飘飘

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