4 类细胞组装心脏类器官，并在低氧条件下诱导损伤
心肌梗死后的变化涉及心肌细胞损伤、组织重塑和收缩功能异常。Clemson University 与 Medical University of South Carolina 团队在 Nature Biomedical Engineering 发表研究，构建了能够同时观察这些变化的多细胞心脏类器官，并将其用于候选药物和药物心毒性测试。
模型由 50% 的人诱导多能干细胞（iPSC）来源心肌细胞和 50% 的非心肌细胞组成。后者包括心室成纤维细胞、脐静脉内皮细胞和脂肪来源干细胞，比例为 4∶2∶1。团队将细胞悬液加入带有 35 个微凹槽的琼脂糖模具，形成半径约 150 µm 的三维微组织。
细胞组装 4 天后开始损伤处理，在 10% 氧和 1 µM 去甲肾上腺素条件下培养 10 天，每 2 天更换一次含药培养液。三维组织的扩散梯度使内部细胞承受更强的低氧压力；中心出现低氧和凋亡相关信号，外侧则保留更多存活细胞。
转录、代谢和组织结构共同记录损伤变化
损伤处理后，类器官的基因表达与对照分离，研究识别出 5,675 个差异表达基因。与已发表的人、鼠和猪心梗组织资料比较时，模型与这些组织共有超过 1,000 个差异表达基因，涉及缺氧应激、代谢和组织重塑等过程。
代谢实验显示，损伤类器官的最大呼吸反应减弱。加入寡霉素后，损伤组的细胞外酸化速率比对照高约 30%，培养液乳酸也增加，支持糖酵解相关代谢增强。组织切片同时呈现内部心肌结构紊乱、外缘波形蛋白阳性区域增多，以及 α-SMA 和肌动蛋白纤维相关变化。微吸管力学测量记录到组织刚度上升。
团队用双光子光片成像观察心肌细胞的钙信号。损伤类器官中，内部和外侧心肌细胞的钙瞬变不同步，内部细胞的信号幅度也有所降低。仅由心肌细胞构成的球状体没有形成相同的空间异质性和不同步表型，多细胞组成因此为组织层面的药物实验提供了更丰富的观察对象。
JQ1 减少纤维化相关染色和不同步搏动
研究首先测试靶向 BET 家族蛋白的抑制剂 JQ1。团队从损伤处理起始时加入 10 nM JQ1，并随每次换液补充，观察其对 10 天损伤过程的影响。给药后，类器官边缘的波形蛋白阳性密度下降，同步搏动的类器官比例增加。
力学测量也显示 JQ1 组刚度下降的趋势，但图 6 所列组间差异未达到统计显著。染色和搏动检测显示纤维化相关细胞分布与收缩协调性有所改变；力学检测中尚未观察到显著的组间差异。
这些测量来自同一心肌细胞供者的模型。不同指标使用的类器官数量并不相同，例如搏动分类分别纳入 66 个对照、66 个损伤模型和 72 个 JQ1 处理模型；力学分析则使用 20 个损伤模型与 17 个 JQ1 处理模型。
已有心脏损伤改变多柔比星的组织反应
第二组药物实验关注多柔比星。在 10 天损伤处理完成后，研究向对照和损伤类器官加入 0–50 µM 多柔比星，继续观察 48 小时，同时记录收缩、凋亡和组织结构。
多柔比星降低了两组类器官的收缩幅度。论文报告，损伤组收缩幅度的 IC50 约为 0.35 µM，对照约为 0.41 µM；损伤组在 1 µM 时停止搏动，对照停止搏动的浓度则为 50 µM。收缩幅度的拟合 IC50 与停止搏动的测试浓度分别记录了收缩减弱和完全停搏。
在 1 µM 条件下，损伤组的 TUNEL 凋亡染色明显增加。心肌肌节结构的改变也更早出现：0.1 µM 时，损伤组内部的肌节 α-actinin 染色已下降。波形蛋白阳性密度在损伤组 0.1 µM 时增加，对照则在 1 µM 时出现相应变化。
因此，这组实验既记录心肌细胞相关损伤，也记录非心肌细胞和三维组织结构的变化。相同药物在既有低氧损伤模型中的作用，与未进行损伤处理的类器官不同，为研究基础心脏状态如何影响药物反应提供了一个体外比较方式。
第二供者验证部分表型，模型仍缺少免疫细胞
团队另用第 2 位 iPSC 心肌细胞供者建立类器官，记录到相似的损伤相关转录变化、纤维化样结构和不同步钙信号。第二供者实验支持这些建模表型的重复出现；JQ1 和多柔比星的主要药物结果则来自第 1 位供者。
作者同时指出，模型使用的 iPSC 心肌细胞尚未完全成熟，也没有加入炎症或免疫细胞。心梗后免疫与基质细胞之间的作用、不同患者的遗传背景和更长期组织重塑，是这一模型进一步扩展时需要纳入的具体因素。