橙灰色抽象概念图:类器官圆形图案与光学信号波形相连。
心肌类器官与光学钙信号读取的概念示意。(NAMs China)

三维心肌类器官需要可比较的动态读数

心脏药物安全评价常用心肌细胞的电活动和收缩反应,但三维类器官的形状与自发搏动,使单细胞或平面培养的检测方式难以直接套用。研究团队把微型荧光显微镜、容纳类器官的芯片与电刺激结合,目标是在多个样本保持相近节律的条件下,连续观察细胞内钙信号。

系统可以沿芯片逐个移动成像。团队先比较微型镜头的工作距离和成像质量,再用电场模拟与实际搏动记录检查不同位置的类器官是否接受相近刺激。论文使用 7 个样本位;药物实验的独立生物重复数由实际受试类器官确定,与芯片位数分开统计。

节律控制让药物波形更容易比较

人源心肌类器官会自发搏动;药物既可能改变搏动频率,也可能影响每次钙瞬变的形状。团队先用异丙肾上腺素作阳性对照,观察到钙峰幅度随药物浓度上升,到较高浓度趋于平台。研究还用伊伐布雷定降低自发搏动,再通过电刺激设定搏动节律,在同一记录条件下比较药物引起的钙信号变化。

这些实验显示微型显微镜可在芯片上连续捕捉类器官的钙瞬变。作者报告的光学分辨率与成像速度属于装置性能,药物评价仍需看波形参数本身;图 4 的节律控制结果与图 6 的药物结果分别支持这两个层面。

三种分子留下不同的钙瞬变特征

多非利特处理后,钙信号下降阶段延长,延迟到达不同恢复比例的时间随测试浓度变化;这是与复极过程有关的读数。奎尼丁也使钙瞬变持续更久,但钙瞬变恢复 90% 的持续时间(CD90)只有在较高测试浓度下达到显著差异。

毒胡萝卜素抑制细胞内钙再摄取,所测高浓度组的钙峰高度下降、持续时间延长。图 6 的数据来自 2–4 个生物独立类器官,每个类器官分析多个成像区域;区域数只是同一类器官内部的观察点,不应累加成独立样本数。

这是成像方法验证,也是药物安全评价的一个入口

这套系统展示了两项能力:对类器官进行节律控制,以及记录不同药物作用后的钙信号变化。它把三维人源模型和光学读数结合起来,适合比较药物对心肌钙动力学的影响;论文还演示了细胞骨架与蛋白定位成像,但那部分没有进入药物安全性结论。

研究仍以少量类器官和已知作用分子验证平台。钙瞬变延长提示药物影响心肌电生理过程,和临床心律失常风险之间还隔着更广泛的化合物测试与独立验证。

来源与延伸阅读

  1. Heart-on-a-Miniscope: A Miniaturized Solution for Electrophysiological Drug Screening in Cardiac Organoids. Small (first online 2024). DOI: 10.1002/smll.202409571 ↗