建立具有心腔特征的环形组织

心房与心室的心肌细胞具有不同电生理和收缩特征,药物作用也可能随心腔而异。以色列理工学院(Technion–Israel Institute of Technology)与加拿大团队在 Nature Communications 报道两类环形工程心脏组织,用于保留和比较这些差异。

研究将人胚胎干细胞分别分化为心房样和心室样心肌细胞,再与胶原凝胶结合形成环形组织。基因表达和蛋白染色支持两类组织具有对应的心腔特征。心房组织中的心房相关连接蛋白和离子通道基因较高,心室组织中的心室肌节相关标志较高。

两类组织均具有肌节结构,但仍缺少成年心室肌常见的横小管,部分心肌成熟标志的表达也低于成人组织参照。这些结构比较为后续功能测试提供了模型背景。

药物电生理反应随心腔而变化

团队用电压敏感染料记录动作电位。在 1 Hz 刺激下,心室组织的动作电位时程明显长于心房组织:复极达到 90% 的时程分别约为 420 ms 和 230 ms。

在固定 1.5 Hz 刺激下,卡巴胆碱缩短心房组织的动作电位,而对心室组织没有显著影响。30 μM 维纳卡兰(vernakalant)则延长心房组织的动作电位,对心室组织的对应变化不显著。固定刺激频率用于减少药物改变搏动速度对时程比较的影响。

组织层面的电压光学成像显示,心室组织的传导较快。在 1.5 Hz 刺激下,两类组织的平均传导速度分别约为 21.4 cm/s 和 4.1 cm/s。100 μM 利多卡因使心室组织的平均传导速度降低约 66%,心房组织的变化较小且未达到显著性。

心房组织用于比较抗心律失常干预

多数心房组织在基础状态出现沿环形路径传播的折返性心律失常。团队利用光学标测观察电波传播,并比较电场刺激与两种抗心律失常药物的复律效果。

处理 10 分钟后,10 μM 氟卡尼在 9 份组织中的复律成功率为 77.7%,30 μM 维纳卡兰在 17 份组织中为 52.9%。电场刺激在 30 份组织中为 86.6%。不同组的组织数分别计数,反映的是本实验中恢复正常节律的比例。

团队还追踪复律后的正常节律能否维持。单用电场刺激后,许多组织在 15 分钟内再次出现心律失常;持续加入抗心律失常药物的组织更常维持正常节律。

心房环形组织的电波传播、复律成功率与复律后节律维持结果。

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心房环形组织的电波传播、复律成功率与复律后节律维持结果。(Idit Goldfracht et al. / Nature Communications, 2020, Figure 5;CC BY 4.0)

收缩测量补充电活动结果

力传感器与长度控制器用于测量环形组织的收缩。两类组织随长度增加均产生更大的主动收缩力,心室组织的单位横截面积收缩力高于心房组织。

10 μM 异丙肾上腺素使两类组织的收缩力增加超过 70%,0.1 μM 硝苯地平使其下降超过 50%。将电活动、传导、复律和收缩放在同一心腔特异模型中,有助于区分药物影响心肌的不同环节。

来源与延伸阅读

  1. Generating ring-shaped engineered heart tissues from ventricular and atrial human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes. Nature Communications. 2020. doi:10.1038/s41467-019-13868-x ↗