Cardiac Fibrotic Remodeling on a Chip with Dynamic Mechanical Stimulation

연구 배경

심장 섬유아세포는 형질전환 성장인자-β(TGF-β) 같은 사이토카인과 기계적 하중에 반응해 수축성 근섬유아세포로 전환되며, 활성화가 지속되면 심장 섬유화로 이어집니다. 저자들은 심장의 변형이 약 1 Hz의 주기로 병적 상태에 따라 2%에서 20%까지 달라진다고 정리했지만, 주기적 변형이 근섬유아세포 활성화에 미치는 영향에 관한 기존 보고는 서로 엇갈립니다. 상용 신장 장치는 한 번에 한 가지 변형 크기만 가할 수 있고, 최근의 생물반응기도 2D 폴리디메틸실록산(PDMS) 막에서 두 가지 변형(2%, 8%)에 그쳤으며, 단단한 배양 기질은 생화학 자극 없이도 근섬유아세포를 활성화할 수 있습니다.

설계와 접근

PDMS 미세장치는 질소 압력 챔버, 기둥이 있는 배지 챔버, 덮개 유리를 차례로 쌓은 구조입니다. 기둥 아래 공동의 지름을 8–5 mm로 달리해 한 번의 질소 주입이 기둥마다 다른 수직 변위로 바뀌도록 하여, 각 기둥 위 하이드로젤이 서로 다른 압축 변형을 받습니다. CF는 7% GelMA에 넣어 40초 UV 조사로 기둥 위에서 가교했으며, 같은 조건으로 가교한 세포 없는 7% GelMA의 영률은 9.8 ± 0.6 kPa로 건강한 신생 쥐 심장 세포외기질의 4–11 kPa에 가깝습니다. 하이드로젤은 거의 비압축성이므로 수직 압축은 측면 팽창을 동반해 주변 기질에 인장을 가합니다.

평가 방법

생후 2일 된 Sprague Dawley 신생 쥐에서 얻은 일차 CF를 장치에서 1 Hz 주기 압축으로 7일간 배양했습니다. 증식(EdU 표지), 퍼짐(F-actin 염색), α-평활근 액틴(α-SMA)·제1형 콜라겐(Col-I)·TGF-β·피브로넥틴(Fn)·기질 금속단백분해효소 2(MMP-2)의 mRNA 발현을 측정했고, 2계대(P2)와 5계대(P5) 세포, 2D 배양판과 3D 젤을 비교했습니다. 섬유화 모델에서는 P5 CF를 10 ng mL−1 TGF-β1로 24시간 전처리한 뒤 배지만 쓴 군(M), TGF-β 억제제 Tranilast 50 × 10−6 m를 넣은 군(DM), TGF-β1을 계속 넣은 군(TM)으로 압축하고, 압축과 처리를 하지 않은 대조군(C)과 비교했습니다.

연구 내용과 주요 결과

배지 챔버가 공기로 차 있을 때 최대 압축은 28 kPa에서 50%였습니다. 배지를 채우고 챔버를 닫으면 35 kPa에서도 20%에 그쳤으나, 배지 튜브를 열어 두면 28 kPa에서 20% 변형을 얻었고, 이 조건에서 기둥에 따라 0%, 5%, 10%, 15%, 20% 변형이 형성되었습니다. 2 Hz에서도 작동했지만 변형은 1 Hz보다 작았습니다. CF를 넣은 젤의 영률은 13.3 ± 4.1 kPa로 세포가 없는 GelMA와 유의한 차이가 없었고, 37 °C에서 7일간 압축하는 동안 비슷하게 유지되었습니다.

압축 변형은 CF 증식에 유의한 영향을 주지 않았고, 증식은 7일 동안 증가했습니다. 2D 배양판의 세포는 1일째 더 빨리 증식했지만 7일째에는 이 차이가 역전되었습니다. 세포 퍼짐은 변형이 클수록 증가했으며, 20% 변형에서의 퍼짐 면적은 0%의 세 배였습니다.

P5 CF는 P2 CF보다 섬유화 표지를 유의하게 높게 발현했고, 3D 젤의 세포는 단단한 2D 기질의 세포보다 낮게 발현했습니다. P2 CF에서는 변형이 커질수록 표지 발현이 늘어 20%에서 최대가 되었고, 그 값은 0%의 4–6배였습니다. P5 CF는 다르게 반응해, 정적 3D 배양이 5%와 10% 압축보다 높은 표지 발현을 보였고 15%와 20%에서 다시 높아졌습니다.

TGF-β1 섬유화 모델에서 M군의 0% 변형 시 α-SMA, Col-I, Fn, MMP-2 발현은 대조군의 2.8, 2.9, 1.7, 1.6배였습니다. Tranilast를 넣은 DM군은 0%에서 대조군과 차이가 없었고, 15%와 20% 변형에서만 α-SMA가 유의하게 높았습니다(3.1배, 2.4배). TGF-β1을 계속 넣은 TM군의 0% 값은 대조군의 4.3, 5.1, 4.9, 2.5배였고, 발현은 20%에서 가장 높았으며, 5%와 10% 변형은 α-SMA와 Col-I에서 0% 대비 유의한 증가를 보이지 않았습니다. 저자들은 5–10% 변형이 근섬유아세포 활성화를 유지하거나 약화하고 15–20% 변형은 이를 촉진하며, 압축은 TGF-β와 상승적으로 작용하지만 TGF-β의 효과를 넘어서지는 못한다고 결론지었습니다.

남은 과제

저자들은 이 모델에 심근세포와 그 섬유아세포 간 상호작용이 빠져 있고, 섬유화의 특징적 지표와 섬유화 조직의 기능은 생리적으로 더 유사한 모델에서 추가로 평가해야 한다고 밝혔습니다.

다른 연구와의 연결

저자들이 인용한 eLife 생물반응기는 2D PDMS 막 위의 심장 섬유아세포를 저산소 조건과 함께 두 가지 변형(2%, 8%)으로 신장했습니다. 이 장치는 3D GelMA 속 CF를 한 번의 기체 주입으로 다섯 가지 변형으로 압축하고, TGF-β1 또는 Tranilast를 더해 기계적 신호와 생화학적 신호를 구분합니다.