众所周知，肌肉组织对于我们人体所有器官而言至关重要，但癌症和糖尿病等疾病可能会导致肌肉组织的退行性退化或萎缩，严重影响了器官的生理功能。传统的针对肌肉萎缩的药物测试仅限于动物，但动物无法模拟人体肌肉组织的复杂性，不能对药物进行有效的评估来帮助患者改善症状。
肌肉芯片作为器官芯片中的一个分支，可以有效的解决这些问题。通过在微设备中接种人类细胞，为研究人体肌肉组织提供了一个有效的体外平台。
来自宾夕法尼亚大学的DongeunHuh团队构建的肌肉芯片，可以安全的在芯片上来进行肌肉损伤实验，测试靶向药物来确定肌肉萎缩的最佳预防和治疗方法。该项研究发表在ScienceAdvances上。
DongeunHuh教授
在人体中，肌肉细胞粘附在特定的锚点上，常位于组织边界上可以提供物理约束和塑造肌肉形状的韧带组织、骨骼或其他肌肉组织旁边。在胚胎发育过程中，肌肉细胞拉动这些锚点，并在两者之间的空间中伸展，就像两极被木桩锚定所支撑的帐篷一样。因此肌肉组织呈现线性扩展，并在锚点之间对齐，来获得特定的形状。
该团队利用这一特点，即用芯片来模仿锚定人体肌肉细胞来形成类似于人体真实骨骼肌的三维组织结构。随时间的推移，最初无定形的水凝胶会转化为稳定的系带三维组织带，同时细胞的密度增加，组织的体积下降。
研究发现，在组织连续收缩模型中，EMC张力和细胞收缩之间呈现正反馈回路，红色箭头和绿色电阻的大小分别代表收缩力和EMC张力的大小。结合计算机模型来使用芯片，当肌肉组织在形成过程中，向相反方向产生机械应力时，细胞收缩力会随着拉动的方向增加，这会导致细胞外基质朝相应的方向对齐和硬化，进一步的增加细胞收缩力的信号。
在各向异性（非均匀性）组织形态发生机制调控中发现，随着组织的变形，整个组织的细胞收缩力逐渐增加，并且X（纵向）的增加幅度明显大于Y（横向）。该结果表明组织粘附强度差异会造成机械边界约束，从而导致各向异性和组织生成力的极化分布。由于细胞收缩性增加，沿此方向的ECM经历更高的张力和硬化，可反馈给细胞来进一步提高肌动蛋白在同一方向的伸缩力。
肌肉芯片不仅用于研究培养肌肉细胞的大小、形状和强度，还可以用来研究肌肉发育过程中，自然机械力如何影响干细胞分化为肌肉细胞。该团队通过培养间充质干细胞，利用可溶性因子来诱导转化肌肉细胞，在间充质干细胞肌源分化方面，发现芯片上肌肉组织的各向异性设计确实会影响间充质干细胞的分化，产生的肌肉细胞数量要比对照组高3倍。该结果表明这个系统在研究力学如何促进人体形态发生和各向异性组织发育方面具有潜力。
我们知道，糖尿病、肥胖症和癌症等疾病都可能会导致氧化性损伤，本质上，肌肉组织因活性氧的增加而崩溃，引发骨骼肌细胞的死亡，从而诱发炎症。
首先，通过氧化性损伤来构建肌肉损伤模型，该模型为标准的个体复制。通过评价线粒体中柠檬酸盐合酶（CS）的活性发现，组织线粒体含量越大，肌肉纤维更成熟。通过氧化氢来处理该模型，发现随ROS产量增加，线粒体功能失调，CS活性明显降低。同时，ROS升高会导致线粒体功能障碍驱动多聚合酶（PARP）的激活，因此在肌肉损伤模型中，PARP-1的水平会与CS的活性成负相关。
基于这一发现，该研究组通过两种PARP-1抑制剂Olaparib和Velaparib来测试改善氧化性骨骼肌损伤的效果，发现PARP抑制剂Olaparib保留了80%的细胞功能，同时也发现，维生素A衍生物维甲酸（RA）和欧米茄-3脂肪酸乙二烯酸（EPA）联合预处理，可以有效的保持CS的活性，表明天然补充剂对防止氧化骨骼肌损伤的潜在益处。
该研究还构建了骨骼肌与癌症组织的互通模型，以用来研究肌肉氧化性损伤与癌症之间的关系，结果发现肿瘤可以自发诱导肌肉组织的氧化和炎症损伤，并降低其代谢能力，能够类比癌症患者肌肉消瘦期模型。
同时，维生素A衍生物维甲酸（RA）和欧米茄-3脂肪酸乙二烯酸（EPA）联合预处理，对肌肉组织具有保护所用，表明这些膳食补充剂在预防癌症方面也具有潜在的应用。F-肌动蛋白和p65/NFkB的免疫染色也证实了这种补充剂的对肌肉组织的保护作用。
总而言之，该研究中的肌肉芯片不仅具有各向异性，而且还可以测试预防肌肉萎缩的药物，是研究肌肉组织相关性疾病的一个很好的平台，但由于该芯片在技术上不属于真正的三维水平，之后可以创建多细胞收缩的三维模型来模拟更真实的肌肉组织以实现更为复杂的结构变形。
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