人 iPSC 来源心肌细胞的超微结构。
人 iPSC 来源心肌细胞的超微结构。(来源:Wesley LaBarge et al.,Wikimedia Commons,CC BY 4.0)(Wesley LaBarge et al. / Wikimedia Commons;CC BY 4.0)

临床观察提出心脏重塑的药物差异

心移植后的免疫抑制治疗需要长期使用药物,药物对移植心脏的直接影响因而值得研究。美国斯坦福大学(Stanford University)团队在 Circulation 发表原始研究通信,比较他克莫司(tacrolimus)与西罗莫司(sirolimus)相关的临床心脏变化,并以人源多细胞模型考察可能的细胞差异。

研究按主要免疫抑制药物将患者分组,观察移植后 6–30 个月的连续超声结果:西罗莫司组 19 人,他克莫司组 39 人。左心室质量随时间的平均减少量分别为 19.91 g 和 3.62 g。作者把左心室质量作为重塑相关指标,并进一步用体外模型检查细胞反应。

这部分比较来自患者随访资料,药物类型与左心室质量变化的关系是观察性关联。后续体外实验为解释药物差异提供细胞证据,两部分采用不同对象和指标。

短期收缩速度没有明显差异

体外模型采用人诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)来源的心肌细胞、心脏成纤维细胞和内皮细胞,组成多细胞心脏簇(cardiac multicellular clusters,CMCs)。模型使用 3 条 iPSC 细胞系,比较两种药物和溶剂对照。

5 天处理后,CMCs 的收缩速度和舒张速度没有显著差异。细胞死亡和活性氧(reactive oxygen species,ROS)生成也未因两种药物而明显改变。研究因此没有从短期功能检测中观察到两药造成急性收缩变化的证据。

转录差异主要集中在成纤维细胞

团队继续用单细胞 RNA 测序(single-cell RNA sequencing,scRNA-seq)分析 CMCs,取样来自 3 个生物学重复。分析辨认出心肌、成纤维和内皮细胞群,在各药物条件下分别比较其表达变化。

他克莫司组的心脏成纤维细胞更高表达部分与胶原、细胞黏附和细胞外基质生成相关的基因;心肌细胞和成纤维细胞中的 BNIP3 表达也较西罗莫司组高。西罗莫司组的成纤维细胞没有相同的表达模式,部分心肌相关标志物表达则更高。内皮细胞没有出现这些转录变化。

另行功能检测核对增殖与胶原反应

为检查转录变化是否对应功能表型,研究另行检测 iPSC 来源心脏成纤维细胞。西罗莫司处理的细胞增殖较对照和他克莫司组低;胶原检测中,他克莫司组高于对照及西罗莫司组,西罗莫司组则低于对照。

研究比较不同药物浓度后仍观察到相同方向的胶原变化。在所比较的浓度范围中,各药物内部的胶原水平没有显著差异。这个实验用于核对独立成纤维细胞的反应,测量对象与 CMCs 的转录分析及收缩速度不同。

作者认为,成纤维细胞的差异性调节可能参与两种药物相关的心脏重塑。研究把随访中观察到的差异,与体外模型中的细胞表型联系起来,为进一步研究长期免疫抑制药物的心脏效应提供了方向。

来源与延伸阅读

  1. Modeling Effects of Immunosuppressive Drugs on Human Hearts Using Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiac Organoids and Single-Cell RNA Sequencing. Circulation. 2022. doi:10.1161/circulationaha.121.054317 ↗