基于人类多能干细胞衍生心脏组装体的房室传导轴建模

研究背景

房室（AV）传导轴负责心房和心室之间的电传导，是心脏电生理系统的核心部件。房室传导的延迟作用确保了心房和心室之间的协调收缩，以维持正常的血流。房室结区的心肌细胞具有缓慢的冲动传导特性，这种延迟对于血液充盈至关重要。房室传导系统的功能障碍可能导致严重的心律和收缩异常，例如房室传导阻滞。然而，现有的研究模型，如小鼠和斑马鱼模型，在模拟人类房室传导系统的关键特征上存在局限性，因此迫切需要一种更加生理相关的人类模型来研究房室结区的病理。

研究目的及方法

为此，Jiuru Li等科学家采用人类诱导多能干细胞（hiPSCs）衍生的心脏组装体（assembloids）来模拟房室传导轴，从而深入探究房室传导系统的功能机制和相关病理。研究团队来自阿姆斯特丹大学医学中心、阿姆斯特丹心血管科学研究所，研究成果发表于《Cell Stem Cell》期刊。研究重点是通过Wnt2和维甲酸（RA）来诱导心脏中胚层细胞向房室管心肌细胞（AVCMs）分化，继而通过多成分组织系统重现房室传导轴，并验证其在模拟房室传导阻滞等复杂心律失常方面的有效性。

研究流程

本研究采用了单层引导分化法来生成房室管心肌细胞，通过将hiPSCs在第4天加入Wnt2和RA处理，以引导其向房室管心肌细胞分化。在第10天左右，所有心肌细胞亚型（包括房室结、心房、心室）出现明显收缩活动。18-20天时的流式细胞检测显示70%-90%终末分化的心肌细胞表达TNNT2蛋白，标志着分化的成功。

为进一步验证这些细胞的身份，研究团队通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析了分化细胞的转录组，发现Wnt2和RA处理的心肌细胞在基因表达上接近体内房室管心肌细胞，尤其是TBX2、TBX3等特异基因的表达水平显著较高，显示了AVCMs特征。此外，研究人员利用不同的hiPSC系重复实验，以确保分化过程的可重复性。

研究结果

研究表明，Wnt2和RA处理成功将hiPSCs分化为具备房室管特征的心肌细胞，其在基因表达和电生理特性上均与体内房室结细胞相似。通过单细胞膜片钳实验评估AVCMs的电生理特性，发现其在去极化速度、动作电位时长和钙稳态等方面具有显著特性，进一步验证了其作为房室结区心肌细胞的身份。

为了更真实地模拟房室传导轴，研究团队将不同亚型的心肌细胞（包括心房、房室管、心室细胞）分别培养为三维球体，形成所谓的“心脏组装体”。在这些组装体中，电冲动从心房一端传导至心室一端，表现出与体内一致的快-慢-快传导模式。进一步的免疫荧光染色证实了不同区域细胞的特异性表达模式，显示了房室传导轴模型的真实性。

LMNA基因突变的病理研究

研究还探讨了LMNA基因突变引起的房室传导阻滞病理机制。LMNA基因突变已知与房室传导阻滞等心律失常有关。研究人员从携带LMNA突变的患者体内分离出hiPSCs，生成AVCMs并构建组装体，发现这些突变体组装体在较高频率（2Hz和3Hz）下表现出冲动传导阻滞现象。进一步分析发现，突变AVCMs的钙离子处理异常，主要表现为钙释放过量和钙瞬变衰减延迟，导致心肌细胞去极化过慢，可能是房室传导阻滞的基础。

为解决这一问题，研究团队尝试使用化学分子S107来减少钙泄漏，发现其能够有效减少异常去极化并缓解房室传导阻滞，验证了其潜在的治疗价值。

结论及意义

该研究展示了通过Wnt2和RA引导分化获得的AVCMs具有体内房室管心肌细胞的特征，并在三维组装体中成功重现了房室传导轴。AVCMs的生成方法简单高效，适用于多种hiPSC系，具有广泛的应用潜力。这种模型不仅可以用于模拟复杂的心律失常病理，还为理解房室结区的基本生物学机制提供了新的研究手段。

研究亮点

1. 房室传导轴模型构建：利用多能干细胞衍生的AVCMs组装体真实模拟了房室传导轴的快-慢-快传导模式，是研究房室传导病理的有力工具。
2. 遗传突变研究：基于LMNA基因突变的组装体揭示了钙稳态异常导致的传导阻滞，为复杂心律失常的病因研究提供了新见解。
3. 潜在治疗靶点：研究显示钙稳态调节剂S107在缓解房室传导阻滞中的作用，为房室结病理提供了新的干预思路。

研究局限性

尽管本研究构建了与体内相似的房室传导轴模型，但模型中缺乏房室结区的非心肌细胞（如成纤维细胞和内皮细胞），未来可以考虑通过三维生物打印等方法来进一步提升模型的复杂性。此外，hiPSCs衍生的心肌细胞尚不成熟，与成年人体内心肌细胞存在差异，这一问题是未来研究的重要方向。

总结

该研究创新地通过人类多能干细胞构建了功能性的房室传导轴模型，为研究心脏传导系统的生理和病理过程提供了一个强大的工具。通过模拟遗传突变相关的心律失常病理并测试潜在治疗策略，这一平台展示了其在研究复杂心脏疾病方面的巨大潜力。