基于iPSC衍生的工程心脏球体对睾酮诱导的致心律失常性右室心肌病纤维化的深度表型分析
基于iPSC的工程化心脏球体模型揭示睾酮在致心律失常性右室心肌病中的纤维化作用
学术背景
致心律失常性右室心肌病（Arrhythmogenic Right Ventricular Cardiomyopathy, ARVC）是一种遗传性心肌病，主要表现为心肌组织被脂肪和纤维组织替代，进而导致心律失常、心室颤动甚至猝死。ARVC的发病率在1:2000至1:5000之间，且男性患者比女性患者更容易发病，且病情更为严重。研究表明，睾酮（testosterone）可能在ARVC的病理过程中起到重要作用，但其具体机制尚不明确。特别是睾酮是否通过促进心肌纤维化来加剧ARVC的进展，仍缺乏直接证据。
为了解决这一问题，研究人员利用患者特异性诱导多能干细胞（iPSC）分化的心肌细胞和心脏成纤维细胞，构建了三维工程化心脏球体模型，旨在模拟ARVC的病理过程，并探讨睾酮在其中的作用。该研究不仅为ARVC的病理机制提供了新的见解，还为药物筛选和个性化治疗提供了潜在的实验平台。
论文来源
该研究由来自南京医科大学第一附属医院、东南大学、福建医科大学等多家机构的科研团队共同完成，主要作者包括Hongyi Cheng、Xinrui Wang、Sichong Qian等。论文于2025年1月7日在线发表在《Bio-design and Manufacturing》期刊上，题为《Deep phenotyping of testosterone-prompted fibrosis in arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy using iPSC-derived engineered cardiac spheroids》。
研究流程与结果
1. 临床数据分析与特征选择
研究首先回顾性分析了60名ARVC患者的临床数据，其中19名患者接受了三维电生理标测。通过特征选择算法（Maximal Information Coefficient, MIC），研究人员发现性别差异是影响低电压区（Low-Voltage Area, LVA）分布的重要因素之一。男性患者的LVA面积更大，提示睾酮可能与心肌纤维化有关。
2. iPSC分化与心脏球体模型的构建
研究团队从两名携带不同基因突变（PKP2 c.336+1G>A和DSG2 1592T>G）的ARVC患者中提取了iPSC，并将其分化为心室肌细胞（Ventricular Cardiomyocytes, VCMs）和心脏成纤维细胞（iPSC-derived Cardiac Fibroblasts, iCFBs）。通过结合胶原蛋白I和Geltrex基质，研究人员构建了三维心脏球体模型。该模型成功模拟了ARVC的病理特征，包括心肌细胞凋亡、脂肪生成异常和钙处理功能障碍。
3. 心脏球体的功能分析
研究人员对心脏球体的收缩功能、钙瞬变和纤维化程度进行了详细分析。结果显示，携带PKP2和DSG2突变的球体表现出更高的自发收缩频率和不规则的收缩模式。此外，突变球体在二氢睾酮（Dihydrotestosterone, DHT）处理后，纤维化标志物α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）的表达显著增加，提示DHT加剧了纤维化过程。
4. 基因突变与DNA损伤
通过Sanger测序和免疫荧光染色，研究人员发现PKP2基因的内含子突变导致外显子2的异常剪接，进而影响细胞间连接蛋白的表达。此外，DHT处理进一步加剧了突变心肌细胞的DNA损伤和活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）水平，表明睾酮通过ROS途径促进了纤维化。
5. 共培养实验与机制探索
在共培养实验中，研究人员发现突变心肌细胞释放的ROS可以激活共培养的成纤维细胞，使其转化为肌成纤维细胞，从而加剧纤维化。DHT处理进一步增强了这一效应，表明睾酮在ARVC的纤维化过程中起到了“触发器”的作用。
结论与意义
该研究首次在体外直接证明了睾酮在ARVC中的促纤维化作用，并揭示了其通过ROS途径加剧DNA损伤和纤维化的分子机制。此外，研究构建的三维心脏球体模型为ARVC的病理研究和新药筛选提供了有力的工具。这一成果不仅深化了对ARVC病理机制的理解，还为未来的个性化治疗提供了潜在靶点。
研究亮点
- 创新性模型：利用iPSC分化的心肌细胞和成纤维细胞构建三维心脏球体模型，成功模拟了ARVC的病理特征。
- 机制揭示：首次揭示了睾酮通过ROS途径加剧ARVC纤维化的分子机制。
- 临床意义：为ARVC的个性化治疗和药物筛选提供了新的实验平台。
其他有价值的信息
研究还发现，突变心肌细胞释放的ROS可以激活成纤维细胞，提示细胞间通讯在ARVC的纤维化过程中起到了重要作用。这一发现为未来的治疗策略提供了新的思路，例如通过抑制ROS生成来减缓纤维化进程。
这项研究不仅为ARVC的病理机制提供了新的见解，还为未来的临床治疗和药物开发奠定了重要基础。