
先打印人 iPSCs,再在双腔结构内形成心肌
美国明尼苏达大学(University of Minnesota)等团队把人诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)放入细胞外基质生物墨水,打印双腔及进出通路。细胞先在结构中扩增,再原位分化为心肌,形成作者称为人源腔室肌肉泵(human chambered muscle pump,hChaMP)的结构。
这一设计保留几何空腔,使研究者能够同时观察组织电活动、收缩和腔体压力—容积变化。它是一个工程化模型,尚未重建成人心脏的全部组织和机械条件。
完成分化和纯化后的第 2 周与第 6 周,钙信号幅度和搏动频率没有显著差别,对应模型数分别为 4 和 3。研究据此描述两时点的功能保持。
异丙肾上腺素增频,维拉帕米降低钙信号幅度
异丙肾上腺素作用后,钙信号的发生频率提高;维拉帕米则降低钙信号幅度。这些已知药理反应提供了模型功能证据,具体指标反映不同作用。
以钙瞬变计算搏动频率,异丙肾上腺素浓度—反应曲线的 EC50 为 0.009 μM。图注说明数据来自 2 个 hChaMP 的 5 个不同区域,区域重复与模型数分别报告。
收缩图像计算的频率曲线也得到 0.009 μM EC50,该子实验为 2 个模型中的至少 3 个区域。光学映射还显示动作电位能够沿结构传播,并可受到起搏和药物刺激影响。
搏动加快时,每搏功示例反而降低
团队用压力传感器与电导导管同时估计腔体压力和容积,加入无细胞结构作为背景对照。压力—容积环让模型的泵功能有了独立测量对象。
原文展示的自发收缩循环平均每搏功为 14.5 ± 1.1 nJ,加入 1 μM 异丙肾上腺素后降至 4.9 ± 1.6 nJ。图 7 的示例每个条件取 3 个收缩循环,生物模型规模由其他子实验另行报告。
导管测得的频率药理比较每个条件使用 4 个模型。不同测量的分母与效应需要分别保留,频率提高和每搏功降低可以同时出现。
无瓣膜和组织不均匀限制了泵功能解释
该结构没有瓣膜,无法形成完整的受控前负荷;心肌分布也不均匀。原文报告平均射血分数约 0.7%,最大值 6.5%,说明当前泵量仍有限。
计算模型估计,若壁层完全被心肌填满,每搏量可能更大。这是后续结构条件的预测,本文没有把它当成当前组织的实测性能。