心血管疾病仍然是全球头号死因。然而，心力衰竭治疗的进展已陷入停滞，主要原因在于难以在细胞层面递送治疗药物。如今，由加州大学伯克利分校（UC Berkeley）领导的研究团队可能已解决了这一递送瓶颈，有望为新型救命疗法开辟道路。
他们新方法的核心是一种人类心脏微生理系统（MPS），也称为心脏芯片，该系统提供了一个微型化的人类心脏模型，包含三维微肌肉组织。此类设备由微流体通道构成，其宽度小于人类头发，内壁衬有活体人类细胞。通过控制流体流动和其他参数，研究人员能够模拟心脏生理功能的多个方面。
利用该心脏芯片，来自加州大学伯克利分校（UC Berkeley）、格莱斯顿研究所（Gladstone Institutes）和加州大学旧金山分校（UCSF）的研究人员成功发现了一种脂质纳米颗粒，该颗粒能够穿透致密的心肌组织，并将治疗性信使RNA（mRNA）高效递送至心肌细胞（cardiomyocytes）。
他们的研究成果今日发表在《自然-生物医学工程》杂志上。
脂质纳米颗粒是由脂肪制成的微小球形颗粒，用于包裹治疗剂。它们被视为临床最先进的非病毒递送系统，适用于基因编辑疗法和疫苗中的mRNA递送，包括辉瑞-生物新技术（Pfizer-BioNTech）和莫德纳（Moderna）的新冠疫苗。
然而，成功将mRNA递送至心肌细胞的关键在于一种称为内体逃逸的机制，这在该领域长期以来一直是个挑战。内体充当细胞的分拣站，如果治疗剂被困其中，就会开始降解。为确保疗效，脂质纳米颗粒必须离开内体并进入细胞质，在那里释放mRNA载荷以实现最大治疗效果。
为解决这一问题，研究人员合成了具有新型酸降解性聚乙二醇涂层的脂质纳米颗粒，该涂层设计旨在轻松扩散通过心肌组织并有效逃离内体。利用心脏芯片，他们测试了多种版本，筛选出将基因编辑疗法递送至心肌细胞最有效的脂质纳米颗粒。随后，研究人员在小鼠心脏上验证了这些纳米颗粒，记录到相似且积极的结果。
据该研究的共同首席研究员、加州大学伯克利分校生物工程与材料科学与工程学教授凯文·希利（Kevin Healy）介绍，研究人员的器官芯片方法可使科学家更准确地预测活体生物测试结果，并加速mRNA心脏疗法的进展。他表示，关键在于该模型能比简单的二维模型更好地复制微组织的复杂三维细胞环境，而二维模型通常由培养皿中生长的单层细胞构成。
“我们的框架能够更快地识别出有效且安全的脂质纳米颗粒，同时显著减少动物实验。”希利教授表示，“因此，通过使用器官芯片模型预测心脏靶向递送和安全性，我们有望加速心力衰竭治疗、心脏保护因子和基因校正项目的开发，同时大幅降低转化时间和成本。”
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