用机器学习技术设计和优化几何限定的心脏类器官

我觉得作者小时候肯定玩过七巧板，或者看过万花筒，否则无法解释为何会有这个idea。把干细胞放在刻蚀有7种微型图案的表面上进行培养，然后结合AI技术分析各种性能参数，找到最佳的图案。只能说小时的游戏很重要啊！

这篇文章探讨了如何通过机器学习技术优化几何限定的心脏类器官设计。以下是文章的主要内容：

1. 背景：文章结合了微图案化技术和机器学习，创建了一个包含7种几何设计的心脏类器官库。这些类器官是由人类诱导多能干细胞（hiPSC）在微图案化表面上生成的。

2. 方法：研究者利用机器学习分析单个类器官的异质性，基于10种生理参数进行分析。采用无监督机器学习技术对类器官进行精细化处理，以减少类器官的异质性，并提供无偏见的优化设计指南。

3. 结果：

- 生成了230个具有不同几何设计的心脏类器官。

- 利用多种机器学习算法（如t-SNE、UMAP、TriMAP和PaCMAP）对类器官进行功能异质性分析。

- 通过K均值聚类算法将类器官分为7个簇，发现不同几何设计的类器官在功能上存在显著差异。

4. 结论：通过整合类器官工程和机器学习，研究者能够更好地理解心脏类器官的结构-功能关系，为未来类器官设计提供了新的优化途径。

这项研究展示了将人工智能应用于心脏类器官设计的潜力，有助于开发具有特定生理功能的工程化类器官。

矩形1:4的micropattern设计在心脏类器官的构建中显示出最佳性能，最接近真实心脏的生理功能，而不同的几何形状会影响类器官的基因表达、钙信号传导以及收缩功能。

微图案化（Micropatterning）是一种在微米尺度上对表面进行图案化的技术。它通过在表面上创建特定的几何图案来控制细胞的排列和组织结构。这项技术可以通过多种方法实现，例如软光刻、微接触印刷、光刻等。

在心脏类器官的构建中，微图案化技术起到了以下几个关键作用：

1. 控制细胞排列和组织结构：通过在培养表面上创建精确的几何图案，微图案化技术可以控制干细胞的排列和分化。这有助于生成具有特定结构和功能的心脏组织。

2. 增强组织的均一性：微图案化技术能够减少类器官在形状和大小上的变异，从而生成更为一致和可预测的类器官。这对于实验的重复性和数据的可靠性非常重要。

3. 研究结构-功能关系：通过生成不同几何形状的类器官，研究者可以系统地研究心脏组织的结构如何影响其生理功能。这有助于理解心脏发育的基本机制以及心脏疾病的病理过程。

4. 提高类器官的功能性：微图案化技术可以优化类器官的功能表现，例如改善心脏组织的收缩能力和电信号传导。这对于心脏疾病模型和药物筛选具有重要意义。

总之，微图案化技术在心脏类器官构建中发挥了重要作用，通过精确控制类器官的几何形状和细胞排列，帮助研究者生成具有高度功能性和一致性的心脏类器官。这为进一步的心脏疾病研究和治疗开发提供了强有力的工具。

根据文章内容，心脏类器官的性能与其使用的micropattern形状密切相关。不同的micropattern形状在心脏类器官的生长和功能上有显著差异。以下是关键的发现：

1. 最佳性能的micropattern：

- 矩形1:4 的心脏类器官表现出最优的性能，特别是在钙处理能力和心脏收缩功能方面。这些类器官在基因表达上也显示出与心脏发育和收缩相关的基因显著上调。

2. 不同micropattern形状的区别：

-矩形1:4类器官在钙信号传导和心脏收缩方面表现优越，并且在心肌结构和基因表达上与其他形状有所不同。

- 圆形600 类器官作为基准进行比较，显示出不同的基因表达谱和心脏功能。

- 星形 类器官在不同区域（中心、边缘、顶点）的细胞分化异质性较大，导致其收缩功能的显著变化。

综上所述，矩形1:4的micropattern设计在心脏类器官的构建中显示出最佳性能，最接近真实心脏的生理功能，而不同的几何形状会影响类器官的基因表达、钙信号传导以及收缩功能。

Micropatterning材料和尺寸

材料：

- 微图案化表面是通过选择性蚀刻的方法在组织培养聚苯乙烯上进行的。

- 用于制作微图案的主要材料是聚二甲基硅氧烷（PDMS），它是从SU8晶片上铸造的，带有设计好的特征，以生产具有透明孔的薄弹性模具。

- 非粘附性聚乙二醇（PEG）溶液被涂覆在6孔组织培养板上，并在紫外线照射下固化。

尺寸：

- 微图案包括不同大小的圆形（直径200微米、600微米和1000微米），以及面积与600微米直径圆形相同的矩形和星形图案。

- 矩形的设计根据长宽比变化：1:1和1:4。

- 星形设计根据中心五边形和三角形顶点之间的面积比变化。对于星形1:1，中心五边形和三角形顶点的面积相同，而对于星形1:4，三角形顶点的总面积是中心五边形的4倍。

心脏类器官的培养基成分与配制方法总结

在这篇文章中，研究团队使用了一种特定的培养基来培养心脏类器官。以下是具体的成分和配制方法：

1. 初始培养

- 使用E8培养基在涂有Geltrex hESC-合格基质（货号: A1413302）的6孔板中培养GCaMP6f-GFP和ACTN2-GFP hiPSCs。

2. 心脏分化诱导

- 当微图案达到汇合时（Day 0），开始心脏分化。

- 使用GSK3抑制剂CHIR99021在RPMI 1640培养基（添加B27-minus insulin）中诱导（Day 0）。

- 在第2天（Day 2），使用WNT通路抑制剂IWP-4继续培养。

3. 维持培养

- 从第6天（Day 6）起，使用添加完全B27补充剂的RPMI 1640培养基（RPMI/B27 Complete）维持培养，直至第20天。

这种方法确保了心脏类器官在结构和功能上的准确性和一致性，从而为后续的实验分析奠定了基础   。

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