工程人体心脏组织向斯坦福医学院研究人员展示了心动过速的机制

如今，心率比以往任何时候都更容易监测。多亏了可以感应脉搏的智能手表，只需快速翻转手腕即可检查您的心脏。但是，监测负责心率的细胞更具挑战性，这鼓励研究人员发明新的方法来分析它们。

斯坦福大学心血管研究所所长、医学和放射学教授Joseph Wu博士设计了一种新的干细胞衍生的心脏组织模型，该模型可以深入了解心脏细胞跳动失控时出现的情况。特别是，Wu正在研究一种叫做心动过速的疾病，这种疾病会增加心率并可能导致心肌病，在这种疾病中，心脏失去了在其他方面心脏结构健康的人充分泵血的能力。

“心动过速可能比我们想象的更常见，”博士后学者Chengyi Tu博士说，他帮助领导了这项工作。“它被认为被低估了，因为心率的增加在不同类型的心脏病中很常见，而且它被掩盖了。

为了研究心动过速引起的心肌病，研究人员从人类干细胞中设计了心脏细胞，以揭示我们身体的引擎在超速运转时是如何运转的。

“用人类干细胞衍生的心脏组织模拟心动过速引起的心肌病，使我们能够更好地了解快速心率对我们身体的影响，”该研究的资深作者、医学博士Simon H. Stertzer教授Wu说。该研究于11月27日发表在 《自然生物医学工程》杂志上。屠呦呦是第一作者。

工程心脏细胞

与大多数类型的器官组织不同，心脏细胞极难在实验室中生长。在培养皿中培养的患者心脏细胞往往会去分化，或者失去其主要功能而无法跳动。

“理想情况下，你想在疾病诊断后、疾病期间和治疗后采集患者的心脏样本，”Tu说。“为了验证你的发现，你需要大量的重复来给你统计能力，但从临床上讲，不可能如此频繁地采样。

由于缺乏组织，Wu和他的同事从干细胞中培养了400多个心脏组织样本，以研究心脏细胞的功能，这一过程持续了四年多。

“制造工程心脏组织与在培养皿中培养细胞有很大不同。时间线很长，“屠呦呦说。从干细胞中产生心脏细胞大约需要两周时间;将它们放在 3D 组织中并使其成熟需要将近两个月的时间。

恢复化学平衡

研究人员使用有线室对细胞进行电刺激，诱导心动过速。他们测试了这些细胞是否可以在10天内从心动过速中恢复。在最初的五天里，细胞的收缩能力持续下降到正常功能的50%左右。但是一旦研究人员停止了电刺激，细胞在五天内就完全恢复了。

这与医生对心动过速诱发的心肌病的了解相吻合——它大多是可逆的。当一个人的心率减慢时，他们的心脏组织功能就会恢复正常。

在另一项实验中，研究人员在另一组工程心脏组织中诱导了心动过速。然后，在停止刺激后，研究小组用NAD（一种支持能量反应的分子）补充组织，并看到心脏细胞的功能恢复得更快。到第一天，补充的组织已经恢复了83%的原始功能，而未治疗组几乎没有改善。

为了验证他们的发现，研究小组将工程心脏组织与临床人类数据和犬类模型数据进行了比较。“我对工程心脏组织模仿真实人类心脏的程度感到惊讶，”Tu说。

揭开分子开关

在心动过速期间，心脏可能难以将血液泵送到身体的其他部位，因为快速的心率会阻止心腔充盈和完全收缩。如果它持续数天或数周（在严重的情况下可能发生），血管就会停止向心脏组织和身体其他部位供应足够的氧气。

正常跳动时，心脏使用脂肪作为能量来源，但分解脂肪需要大量的氧气。没有氧气，心脏的燃料来源就会在称为代谢重新布线的过程中转变为糖。燃料转换和缺氧或缺氧会导致 NAD/NADH 比率降低，NAD/NADH 是一种重要的化学组合，有助于维持心脏组织中称为 SERCA 的蛋白质的功能。

“不同水平的SERCA蛋白就像汽车的油门和刹车踏板，”Tu说。当研究人员增加NAD的量时，心脏的油门踏板被推开，SERCA蛋白加强了工程细胞的心跳。当减少时，工程心脏组织会踩刹车，使它们跳动得更弱。

通过现成的补充剂或静脉注射给患者 NAD，临床医生相信他们可以恢复化学平衡并加速患者的康复。

除了帮助患者从心动过速中恢复的新补充剂外，该研究还证明了新方法对疾病建模的重要性。去年，美国总统乔·拜登（Joe Biden）签署了《美国食品和药物管理局（FDA）现代化法案2.0》（FDA Modernization Act 2.0），该法案取消了在人体药物试验之前进行动物试验的要求。“现在，更需要非动物模型来补充动物模型，”涂说。“这项工作证明，使用通用的非动物模型来研究这种疾病并测试可能的治疗方法是可能的，因此有可能对复杂的心脏病进行建模。

这项研究由美国心脏协会、美国国立卫生研究院（授予 K99 HL164962、K01 HL130608、R01 HL151345、R01 HL163680、R01 HL141371、R01 HL113006、R01 HL150693 和 P01 HL141084）和美国国家航空航天局资助。