骨骼肌在人体质量中占比很高（约40%），在保持体形方面发挥着核心作用，并且参与运动、稳定和新陈代谢等各种生理过程。此外，骨骼肌组织对调节血糖水平和脂质代谢也很重要，因此在预防和控制糖尿病、肥胖症等慢性疾病方面同样关键。不仅如此，肌肉质量在减轻化疗不良影响方面也至关重要，凸显了在癌症治疗期间制定策略以保持肌肉完整性的重要性，进而改善患者的预后和生活质量。因此，非常有必要了解肌肉组织的复杂动态及其对各种条件的适应性。特别是，以受控和可重现的方式研究肌肉骨骼功能及其对外部刺激的反应，对于基础科学研究和临床应用至关重要。
鉴于骨骼肌在各种生理和病理过程中的重要作用，迫切需要超越传统的体外和体内实验方法。传统的体外和体内实验的主要局限在于，无法准确模拟骨骼肌组织复杂的微环境和机械动力学。这些传统方法往往缺乏必要的空间和时间控制，无法模拟生物体内生化信号、机械力和结构组织之间错综复杂的相互作用。这些问题会导致模型过于简化，无法完全捕捉肌肉组织对各种刺激的细微反应，从而影响对肌肉功能、疾病机制和治疗干预的研究结果和解释。此外，与动物模型体内研究相关的伦理问题和实际限制进一步凸显了开发更精细、更贴近人类系统的紧迫性。这些挑战驱动了超越传统的方法，采用更先进、更多功能生物制造技术的重要性，进而为肌肉组织研究提供更准确、在伦理上更可持续的平台。
3D生物打印或器官芯片等先进生物制造技术，可以制造出具有功能设计的复杂生物模型。已有研究将生物打印和肌肉芯片技术用于各种肌肉骨骼研究，例如制造生物混合执行器以及肌肉疾病研究等。尽管该领域已经积极开展了广泛的研究，但不同研究的系统设计和实验条件各不相同。正如早期研究表明的那样，组织形状和培养面积的不同，也会导致实验结果的差异。此外，以往研究中不同的肌肉组织培养条件会导致不同的肌肉骨骼产出，包括肌肉生长和功能，这些都是影响研究重复性和再现性的关键因素。换句话说，体外肌肉骨骼组织培养缺乏定量标准和统一性，只能通过严格的实验和专业知识来解决。这为新踏足肌肉骨骼研究领域的科研人员带来了巨大挑战，阻碍了该领域的发展。
本研究开发的骨骼肌芯片以及肌肉骨骼水凝胶的行为研究
据麦姆斯咨询介绍，韩国科学技术院（KAIST）机械工程系和生物微流控实验室的Jeon Seong-yun教授和机械工程系的Shim Ki-dong教授联合领导的研究小组，成功开发出一种生物微流控系统，旨在为体外3D环境中构建骨骼肌组织的实验设计提供广泛的指导和提示。为此，研究人员选择了一种直接而全面的方法来设计和选择材料，并进行一系列详细分析。该研究成果已经以“Strategic Approaches in Generation of Robust Microphysiological 3D Musculoskeletal Tissue System”为题发表于Advanced Functional Materials期刊。
水凝胶成分对肌肉骨骼组织形态和功能的重大影响
研究人员在论文中详细介绍了基于3D打印模具制造骨骼肌芯片平台的工艺过程。根据之前的研究，研究人员将芯片设计、水凝胶成分、成胶时间和细胞播种密度作为载细胞水凝胶组织形成过程中的关键变量。
所开发的骨骼肌芯片示意图。（A）微肌肉骨骼组织固定在一对支柱上；（B）肌肉骨骼收缩时支柱和组织的横截面示意图。
在所开发的骨骼肌芯片平台中，一对顶部相连、两端略微偏离底部的支柱用于支撑和固定肌肉组织的位置。肌肉组织形成后，为了定量评估水凝胶环境对肌肉组织稳定性的影响，研究人员检测了几个形态变量，包括组织的面积，支柱与组织之间的最薄厚度。此外，研究人员还测量了肌肉骨骼组织在电刺激下的收缩力和反应速度，通过测量支柱位移来量化其功能。研究人员还进行了生化试验，将其物理或机械反应与细胞内生物过程联系起来。通过综合分析，证明了该芯片设计以及精心设计的水凝胶环境在增强组织稳定性、功能性和细胞分化方面的重要作用，由此，提供了稳健的实验设置框架和故障排除指导。
组合水凝胶培养条件对肌肉骨骼组织发育的影响
这些发现为从系统角度揭示肌肉骨骼组织的机理和性能提供了可能。研究结果强调了胶原蛋白和Matrigel基质胶含量、成胶时间和细胞播种密度在影响肌肉骨骼组织形成中的关键作用，并通过各种方式对结果进行了验证。这些影响凝胶配方的因素可以为水凝胶环境的设计和制造提供有价值的见解，从而影响功能性肌肉骨骼组织的形成。在研究过程中，研究人员提出了一个更明确的收缩力测量模型，以及一种估算组织稳健性的量化工具。此外，研究还发现水凝胶环境可改变与肌肉组织发育和适应有关的各种通路的基因表达，尤其是与机械传导相关的通路。本研究提出的结果可进一步应用于不同的设计策略，旨在为疾病建模、药物测试和再生医学等应用开发功能性肌肉结构。
总结而言，通过在实验室培养细胞来制造各种器官的研究一直在进行，但这种构建骨骼肌专用芯片的开发则是一个重要的里程碑。研究人员创建了一种生物微流控系统，对培养骨骼肌组织所需的水凝胶成分、成胶时间和细胞浓度控制进行了优化。研究人员通过各种分析实验，包括对收缩力、反应速度、组织形态、机械性能以及与生长和分化相关的基因表达进行比较研究，证实了微流控系统构建的骨骼肌组织的状态。
Jeon Seong-yun教授解释了该研究成果的重要性，他说：“通过探索人工骨骼肌芯片培养条件的影响，我们为过去不一致的培养方法提供了重要指导。预计，该平台不仅有助于创建人工生物组织，例如心脏或骨髓，还可用于各种肌肉骨骼疾病的研究，包括由衰老或太空微重力引起的肌少症。”
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202410872
