倒置荧光显微镜。
倒置荧光显微镜。(ZEISS Microscopy / Wikimedia Commons;CC BY 2.0)

三类人源细胞构成工程心肌

美国哥伦比亚大学(Columbia University)团队在 Cell Reports 建立含巨噬细胞的人源工程心肌。心肌细胞、心脏成纤维细胞与巨噬细胞均来自诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC),用于比较免疫细胞对组织收缩和药理反应的影响。

研究使用同一 WTC11 背景,将细胞置于纤维蛋白水凝胶中,组织悬挂在柔性柱之间。含巨噬细胞组的起始比例为总细胞的 7%,对照组只含心肌细胞和心脏成纤维细胞;两组在递增频率电刺激下培养 28 天。

培养末期,含巨噬细胞组约有 8% 的 CD45 阳性细胞,支持免疫成分持续存在。巨噬细胞没有显示增殖标志,心肌与成纤维细胞的排列方向在两组间也未出现显著差异。

主动收缩力增加,被动应力没有同步改变

组织收缩时带动柔性柱偏移,视频分析将偏移量与柱的力学标定关系结合,计算收缩力。研究另结合组织截面积,区分力与应力,并分别计算主动、被动成分和收缩速度。

28 天时,含巨噬细胞组的主动收缩力平均约为对照的 2 倍,主动应力也增加,收缩与舒张速度更快。被动张力较高,但按组织截面积换算后的被动应力没有显著差异。

整体 RNA 测序同时显示免疫相关表达及钙信号通路改变,部分 β 肾上腺素能受体与下游信号基因上调。组织在第 28 天的炎症和调节性细胞因子分泌也增多,第 7 天差异较小。

这些测量提供了功能变化的线索,整体测序仍混合了各类细胞的表达。它可以支持组间比较,但在本研究中没有将每个基因变化单独归到某一种细胞。

药物刺激揭示钙信号的变化

异丙肾上腺素作为 β 肾上腺素能受体激动剂,使两组组织的搏动频率随浓度升高。低浓度下,含巨噬细胞组的钙瞬变衰减更快;高浓度时,两组衰减时间差异消失。

钙信号由荧光报告系统连续测量。研究用衰减时间常数及收缩、舒张阶段比较信号恢复,发现较低浓度刺激时两阶段均缩短,差异没有局限在单一钙循环步骤。

直接激活腺苷酸环化酶的 forskolin 也产生相似方向的钙信号变化。它作用于受体下游,为 β 肾上腺素能信号与组织功能的联系提供另一种药理检验。

肾上腺素分泌与受体阻滞形成配套证据

上清检测显示,含巨噬细胞组的肾上腺素更多,单独培养的巨噬细胞在三类细胞中也产生较高水平。去甲肾上腺素则没有出现同样明显的产生或组间变化。

团队随后用 β1 受体阻滞剂比索洛尔半富马酸盐处理组织。主动收缩力下降,含与不含巨噬细胞两组之间的原有差异随之消失,收缩及舒张速度也呈相似变化。

药物实验与分泌测量共同支持巨噬细胞经 β 肾上腺素能通路增强收缩的解释。作者同时指出其他分泌因子也可能参与,现有数据没有完全解析各机制的贡献。

研究仅采用一个供者背景,主要功能实验至少 3 个组织或样本,并在多个分化批次中重复;β 阻滞实验除外。未能响应 1 Hz 电刺激的组织会被排除,药物结果来自能够响应刺激的组织。

在药物模型中加入免疫细胞,会同时改变基线收缩和刺激后的反应。这项研究用明确的药理工具检验这种变化,为细胞组成如何影响人源心肌功能评价提供了实验实例。

来源与延伸阅读

  1. Macrophages enhance contractile force in iPSC-derived human engineered cardiac tissue. Cell Reports. 2024. doi:10.1016/j.celrep.2024.114302 ↗