组织环中的电活动持续循环

大阪大学(Osaka University)、北京大学等团队把人诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)来源心肌细胞聚集为组织环,观察沿环形路径持续循环的折返波。不同组织出现 0、1 或 2 个折返波,形成不同的持续搏动频率。

这类电活动可在没有持续外部刺激的情况下维持快速搏动,最高接近 4 Hz。研究用成像与数学模型分析波的传播,再比较不同组的结构和功能。

多数功能比较在培养 14 天后进行,研究另以较早时间点和更长培养时间观察组织变化。

肌节排列和成熟相关表达发生变化

有折返波的组织中,肌丝更密集、沿环方向排列更规则。培养 14 天时,0、1 和 2 个折返波组的肌节长度分别约为 1.49、1.71 和 1.83 μm。

转录组及蛋白检测发现多个心肌结构、钙调节和代谢相关指标升高。与成人心肌资料比较时,组织仍保留部分未成熟表达特征。

钙释放、呼吸能力与收缩力改善

培养 14 天后,团队从组织中分离细胞,另培养 3 天再测量耗氧。2 个折返波组的最大呼吸能力高于另外两组,每组采用 4 个生物学独立样本。

第 7 天的组织加入 5 mM 咖啡因后,团队记录肌浆网释放钙时的荧光反应。2 个折返波组的反应高于无折返波组,每组采用 6 个生物学独立样本。

机械测试中,拉伸幅度增加时各组收缩力均增强。2 个折返波组按面积归一化的最大收缩力为 0.54±0.15 mN/mm²,无折返波组为 0.23±0.12 mN/mm²;各组采用 3 个生物学独立样本。

不同折返波数量的组织在最大呼吸能力、咖啡因诱导钙释放与收缩力方面的比较。

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不同折返波数量的组织在最大呼吸能力、咖啡因诱导钙释放与收缩力方面的比较。(Junjun Li et al. / Communications Biology, 2020, Figure 5;CC BY 4.0)

进一步用于药物评价仍需缩小模型和稳定测量

作者提出用这类组织补充心肌成熟、药物筛选和再生研究。本文主要验证成熟相关功能,咖啡因用于检验钙储存与释放,并未建立治疗药物的系统筛选结果。

每个常规模型需要约 40 万个起始细胞,高通量应用仍需缩小尺寸。持续培养超过 89 天后,搏动频率和肌节长度没有继续增加,作者还讨论了快速搏动带来的氧需求。

来源与延伸阅读

  1. Circulating re-entrant waves promote maturation of hiPSC-derived cardiomyocytes in self-organized tissue ring. Communications Biology. 2020. doi:10.1038/s42003-020-0853-0 ↗