工程心室用压力与容积评价异丙肾上腺素反应

纤维支架将心肌细胞组成可测量的腔室

哈佛大学（Harvard University）团队在 Nature Biomedical Engineering 报道工程心室尺度模型，希望把体外药物研究从细胞或组织条的收缩，推进到腔室压力与容积的变化。其核心是椭球形纳米纤维支架，细胞沿纤维方向排列，形成能同步搏动的薄壁组织。

支架由聚己内酯与明胶构成：前者提供结构支撑，后者帮助细胞及相关分子附着。团队分别加入新生大鼠心室肌细胞与商品化 Cor.4U 人心肌细胞。两类模型在培养 3–5 天后出现同步收缩，主要功能实验在第 14 天进行。

2022 年补充说明修正了 Cor.4U 的来源判断：供应商发现其 DNA 指纹符合特定人胚胎干细胞系，提示它们来自人胚胎干细胞（human embryonic stem cells，hESCs）。主药物实验因此按人多能干细胞来源解释。更正还说明补充材料曾使用 PGP1 诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs），但这部分初步结果未验证患者特异性的药物反应。

设计腔室的舒张容积约为 500 μL，壁较薄且没有血管化，以适应依靠扩散的培养环境。纤维主要沿周向排列，近似呈现心肌层的方向性。该结构保留了腔室几何与协调收缩，但尚未复现完整心室的厚壁、螺旋肌层和多类细胞组成。

钙成像显示腔室表面具有连续的兴奋传播，人源和大鼠模型的平均波前速度分别约为 5.2 和 9.33 cm/s。这些是钙信号传播指标，作者将其作为电活动的替代观察；它们不等同直接膜电位标测，也不能单独说明成熟度已达到成人心肌水平。

压力—容积测量分别量化心率与每搏功

团队将导管置入腔室，连续记录压力与容积，再分析单次收缩的压力—容积关系和搏动频率。导管在标准容积与空支架中分别校准，信号还经过背景漂移处理。腔室每搏功来自对应压力—容积循环，与单纯视频中的搏动次数属于不同测量指标。

压力—容积实验共制备 20 个大鼠和 10 个人源模型；依据收缩同步性及幅度，选择 12 个大鼠、6 个人源模型置入导管。最终 8 个大鼠、4 个人源模型在全部 7 个异丙肾上腺素条件下有可辨认的压力或容积信号，其中两种信号都完整的为 4 个大鼠和 3 个人源模型。

异丙肾上腺素（isoproterenol）是一种 β 肾上腺素能受体激动剂，本研究将其作为药理功能测试物。名义浓度覆盖 0.1 nM 至 0.1 mM，逐步增加暴露。频率分析使用可辨认信号的模型，每搏功比较则使用压力与容积同时完整的子集。

两类模型的每搏功均在异丙肾上腺素暴露后下降，图 3 对应 P 值为大鼠组 0.04、人源组 0.038。作者同时报告高浓度时的心率升高趋势，但图注明确人源组频率比较未达到统计学显著性。因此，心率和每搏功需要各自按实际检测和分母解释。

有限的功能输出提示心肌与腔室仍未成熟

作者将每搏功下降与未成熟心肌的负性力—频率关系联系起来：搏动变快时，钙处理能力可能不足以维持每次收缩的输出。这是结合已有研究提出的解释，本实验尚未独立证明该过程的全部机制。

大鼠和人源模型的容积变化分别约为 5 μL 和 1 μL，射血分数约为 1% 和 0.2%。每搏功分别约为 0.25 和 0.05 mmHg·μL。作者据此说明，当前腔室的射血与做功远低于完整哺乳动物心室，模型的几何尺度与功能输出需要分别评价。

测量期间模型自主搏动，没有同步电起搏。作者说明导管厂家不建议在置管时电刺激，因此本实验条件与部分电起搏心肌组织研究不同。模型没有观察到那些研究中的正性肌力效果，尚需成熟度和测量条件的进一步改进。

细胞覆盖不连续、支架机械性质和有限壁厚也可能限制输出。研究提出继续优化支架弹性、细胞覆盖与培养方式；这些改进有助于检验不同因素对功能的影响，但其效果仍需对应实验评价。

辅助泵送与心律失常示范属于另一层验证

团队另建模块化生物反应器，可施加外部压力并连接瓣膜部件。图 4c 的超声示范分别观察自主收缩的大鼠心肌腔室，以及由外部压力驱动的无细胞支架。辅助泵送演示在无药条件下完成，应与异丙肾上腺素自主搏动实验分别理解，尚未证明药物能改善辅助泵送后的表现。

结构性心律失常示范使用大鼠模型，通过几何损伤后出现的钙波旋转观察传播改变。这项结果支持腔室模型研究结构与兴奋传播的关系，但没有在人源模型中完成相同药物抗心律失常验证。