背景
骨骼肌作為人體內(nèi)最豐富的組織器官，在人體各處均有身影，重量更是占到了人體的20 – 50%。得益于豐富的骨骼肌，我們能夠順利完成各種動(dòng)作，成為“動(dòng)”物。正因?yàn)楣趋兰∪绱酥匾�，與之相對(duì)的疾病——肌肉萎縮對(duì)于生活的影響也十分嚴(yán)重。同時(shí)，缺乏有效的治療藥物也讓該類疾病變得十分棘手。藥物開發(fā)正在進(jìn)行，然而現(xiàn)行的開發(fā)過(guò)程費(fèi)用高、時(shí)間久、成功率低，使得患者不能心理上難以承受長(zhǎng)期且不穩(wěn)定的研發(fā)等待。因此為了提高臨床前的藥物篩選效率，3D微生理系統(tǒng)（Micro-physiology systems，MPS）——一種在培養(yǎng)皿上模擬人體生理和疾病效果的技術(shù)——逐漸被科研人員所重視。Angela Alave Reyes-Furrer等人便是在此技術(shù)上，通過(guò)生物3D打印的方式，在體外構(gòu)建骨骼肌模型，希望能夠用于藥物篩選。

方法
作者使用瑞士regenHU生物3D打印機(jī)3DDiscovery的電磁閥噴墨打印頭完成主要的打印工作。相比于經(jīng)典的擠壓打印方式，微型電磁閥噴墨能夠有效減少打印時(shí)的剪切力，提高細(xì)胞存活率。因使用的基質(zhì)膠（Matrigel）具有低溫流動(dòng)，高溫凝固的特性，因而在打印機(jī)上搭配了水循環(huán)制冷系統(tǒng)，確保打印材料在低溫（＜10℃）環(huán)境下噴出。使用的生物墨水分散有原代人肌肉前體細(xì)胞，打印后培養(yǎng)一周形成可收縮、有紋理的肌纖維，即獲得了體外骨骼肌模型。期間可觀察到模型體積縮小，表明肌肉細(xì)胞產(chǎn)生拉力（圖1）。 結(jié)果
作者主要進(jìn)行了刺激反應(yīng)和收縮力兩方面的測(cè)試。
對(duì)于刺激反應(yīng)，作者給予肌肉模型單次電刺激，模型產(chǎn)生了相應(yīng)的抽搐收縮（圖2）。為了更真實(shí)地模擬肌肉工作，作者將單次刺激轉(zhuǎn)為電脈沖系統(tǒng)（Electrical pulse stimulation，EPS），給予連續(xù)3 h的脈沖刺激，證實(shí)了白細(xì)胞介素-6肌因子（Interleukin-6 myokine）的表達(dá)和蛋白激酶B肥大通路（AKT hypertrophy pathway）的激活（圖3）。
對(duì)于收縮力，作者從刺激次數(shù)、電流大小、持續(xù)時(shí)間等方面進(jìn)行了考察。分別在25 Hz、300 mA、2 ms下獲得較大的收縮力值（圖4）。隨后的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)則添加了常見的肌肉收縮促進(jìn)劑咖啡因（Caffeine）和肌鈣蛋白激活劑Tirasemtiv（Troponin C activator），發(fā)現(xiàn)均能提升肌肉的收縮力（圖5）。 圖5 咖啡因（左）和Tirasemtiv（右）對(duì)于肌肉收縮力的提升。統(tǒng)計(jì)方法：未配對(duì)t檢驗(yàn)，****p < 0.0001。 作者Angela Alave Reyes-Furrer等人首次在體外使用微生理系統(tǒng)重現(xiàn)肌肉刺激藥物對(duì)于運(yùn)動(dòng)和收縮力地提升，這一技術(shù)非常適合于臨床前的藥物篩選，期待其應(yīng)用于新型藥物開發(fā)以治療肌肉萎縮。
 
參考文獻(xiàn)
[1] Alave Reyes-Furrer, A., De Andrade, S., Bachmann, D. et al. Matrigel 3D bioprinting of contractile human skeletal muscle models recapitulating exercise and pharmacological responses. Commun Biol 4, 1183 (2021). https://doi.org/10.1038/s42003-021-02691-0