人源背景还需要对应的电生理功能

德国汉堡-埃彭多夫大学医学中心(University Medical Center Hamburg-Eppendorf)等机构的研究者在 Frontiers in Physiology 发表综述,讨论人诱导多能干细胞来源心肌细胞(human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes,hiPSC-CMs)的电生理用途。文章关注的重点是:用于疾病和药物研究时,这些细胞在哪些方面接近成人心肌,又有哪些差异来自细胞或测量方法。

综述首先区分离子电流的大小与其实际功能。以钠钙交换为例,某种电流密度相近,并不足以保证阻断它之后,模型与成人心肌的动作电位时长和收缩力变化相同。评价药理模型时,需要同时观察通道或转运体的电流,以及它对整个细胞或组织的贡献。

细胞中的通道组合可能影响药物反应

部分 hiPSC-CMs 存在成人负责收缩的心肌中通常不表达或作用不同的离子电流。例如,自发搏动相关电流及 T 型钙电流,可能影响起搏和对钙电流的估计;少数细胞系还会出现非典型通道。仅凭检测到某个心脏相关通道,不能判断整个电生理背景与成人组织一致。

文章也讨论了细胞系间的差别:一种异常电流在某条细胞系出现,在其他独立细胞系中未观察到。作者据此强调核对各细胞系的具体表型,并提出培养中发生的遗传变化可能造成通道误表达。

测量方式会改变动作电位的解释

静息或舒张期膜电位不够负,通常被视为 hiPSC-CMs 不成熟的表现。综述指出,孤立细胞尺寸较小、膜电阻较高,膜片钳密封质量等技术因素也可能引入电压误差;外加电流维持的膜电位,则不适合再作为区分心房与心室细胞的依据。

组织内的细胞相互连接,测得的动作电位变异通常小于孤立细胞。工程心肌组织(engineered heart tissue,EHT)还支持较长时间的记录,便于比较同一种药物的多个浓度或不同药物。单细胞与组织测量因此各有用途,结果需要在相同测量背景下比较。

成人心房、心室组织与相应工程心肌组织的动作电位示例;括号内标记表示由波形推测的电流差别。

窄屏可横向滑动查看完整图表。

成人心房、心室组织与相应工程心肌组织的动作电位示例;括号内标记表示由波形推测的电流差别。(Djemail Ismaili et al. / Frontiers in Physiology, 2023, Figure 1;CC BY 4.0)

心房模型需要通过有区分度的功能检验

对于心房模型,综述认为,仅凭动作电位时长或某些标志物并不充分。作者讨论复极形状、心房相关钾电流及对药理干预的反应,作为辨别模型是否呈现心房特征的不同依据。不同参数的区分能力并不相同。

其中一个重要例子是超快速延迟整流钾电流的阻断:部分干细胞来源心房模型中的末期复极反应,与成人心房组织方向不同。若药物筛选恰好依赖这一反应,模型的细胞类型标记相符,也无法消除功能差异带来的解释问题。

房颤还会改变心房电生理。某个模型若在基线时已经接近慢性房颤的部分特征,再施加快速刺激未必出现预期的进一步重塑。模型初始状态与要研究的疾病阶段,需要一起决定药物和疾病实验的解释。

计算模拟也受数据和参数来源限制

综述将虚拟 hiPSC-CMs 的构建分为两种思路:直接由实验测量确定参数范围,或先生成参数不同的虚拟细胞,再用功能指标筛选。前者受可获得数据和实验室间差异限制;后者即使通过功能筛选,也可能保留生理上并不存在的参数组合。

作者提出,计算方法可帮助理解变异并将模型结果与成人心肌联系起来,但需要透明比较细胞模型、参数来源及外推方法。动作电位形状相近,不足以证明其背后的离子电流组合也真实相同。

自动化通量不能代替合适的检测对象

自动膜片钳(automated patch clamp,APC)可提高实验通量,适合较稳定、较容易测得的钠电流和 L 型钙电流。相比之下,延迟整流钾电流较小,动作电位还可能受到维持电流及密封电阻的影响;在这篇 2023 年综述中,作者对用它在 hiPSC-CMs 中直接记录动作电位持谨慎态度。

培养格式还会影响信号调节。文章比较了单层和 EHT 中的肾上腺素能反应,指出某些磷酸二酯酶的作用与成人心肌不同。这些差异说明,细胞来源、培养格式和记录方法共同影响药物反应及其解释。

来源与延伸阅读

  1. Human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes as an electrophysiological model: Opportunities and challenges—The Hamburg perspective. Frontiers in Physiology. 2023. doi:10.3389/fphys.2023.1132165 ↗