Nature子刊：斯坦福大学采用人造心脏组织展示“心率过速”

现如今，心率比以往任何时候都更容易监测。由于智能手表可以感应脉搏，你只需要快速转动手腕就能检查你的心脏。但监测负责心率的细胞更具挑战性——这鼓励了研究人员发明新的方法来分析它们。

斯坦福心血管研究所主任，医学和放射学教授Joseph Wu医学博士，设计了一种新的干细胞衍生的心脏组织模型，该模型提供了对心脏细胞失去控制时突然出现的情况的见解。特别是，吴正在研究一种叫做心动过速的疾病，这种疾病会增加心率，并可能导致心肌病，在这种情况下，心脏结构健康的人的心脏失去了充分泵血的能力。

为了研究心动过速引起的心肌病，研究人员从人类干细胞中提取心脏细胞，以揭示我们身体的引擎在超速行驶时是如何运行的。

“心动过速可能比我们想象的更常见，”帮助领导这项工作的博士后学者Chengyi Tu博士说。“人们认为这种情况没有得到充分诊断，因为心率加快在不同类型的心脏病中都很常见，而且被掩盖了。”

“用人类干细胞衍生的心脏组织模拟心动过速引起的心肌病，使我们能够更好地理解快速心率对我们身体的影响，”该研究的资深作者、医学博士、教授Simon H. Stertzer说。该研究发表在11月27日的《Nature Biomedical Engineering》杂志上。屠是第一作者。

工程心脏细胞

与大多数类型的器官组织不同，心脏细胞极难在实验室中培养。在培养皿中培养的患者心脏细胞往往会去分化，即失去其主要功能，无法跳动。

“理想情况下，你想要在疾病诊断后，疾病期间和治疗后采集患者的心脏样本，”Tu说。“为了验证你的发现，你需要大量的重复来给你统计上的力量，但在临床上，不可能如此频繁地取样。”

考虑到组织的缺乏，吴和他的同事们从干细胞中培养了400多个心脏组织样本，以观察心脏细胞的功能，这个过程持续了四年多。制造工程心脏组织与在培养皿中培养细胞非常不同。时间很长。从干细胞中生成心脏细胞大约需要两周时间;将它们组装成3D组织并使其成熟需要近两个月的时间。

恢复化学平衡

研究人员使用一个带电线的腔室，电刺激细胞，诱发心动过速。他们测试了这些细胞能否在10天内从心动过速中恢复过来。在最初的五天里，细胞持续收缩的能力下降到正常功能的50%左右。但一旦研究人员停止电刺激，这些细胞在5天内就完全恢复了。

这与医生已经知道的心动过速引起的心肌病是一致的——它大多是可逆的。当一个人的心率减慢时，他们的心脏组织功能就会恢复正常。

在另一项实验中，研究人员在另一组工程心脏组织中诱导心动过速。然后，在停止刺激后，研究小组用NAD(一种支持能量反应的分子)补充了这些组织，结果发现心脏细胞的功能恢复得更快。到第一天，补充组的组织恢复了83%的原始功能，而未治疗组几乎没有改善。

为了验证他们的发现，研究小组将工程心脏组织与临床人类数据和犬模型数据进行了比较。科学人员很惊讶这种人造心脏组织能很好地模仿人类的心脏。

揭开分子开关

在心动过速期间，心脏可能很难将血液泵到身体的其他部位，因为快速的心率阻止了心脏的腔室充满和完全收缩。如果持续数天或数周(严重的情况下可能会发生)，血管就会停止向心脏组织和身体其他部位供应足够的氧气。

正常跳动时，心脏使用脂肪作为能量来源，但分解脂肪需要大量氧气。在没有氧气的情况下，心脏的燃料来源会在新陈代谢重组的过程中转换成糖。燃料转换和缺氧，或缺氧，导致NAD/NADH比率的降低，这是一个重要的化学组合，有助于维持心脏组织中被称为SERCA的蛋白质的功能。

“SERCA蛋白的不同水平就像汽车的油门和刹车踏板，”Tu说。当研究人员增加NAD的数量时，心脏的油门踏板被推了起来，SERCA蛋白加强了工程细胞的心跳。当减少时，经过改造的心脏组织就会踩刹车，使它们跳动得更弱。

临床医生相信，通过现成的补充剂或静脉注射给病人NAD，他们可以恢复化学平衡，加速病人的康复。

除了一种可能帮助患者从心动过速中恢复的新补充剂外，这项研究还证明了新方法对疾病建模的重要性。去年，乔·拜登总统签署了《FDA现代化法案2.0》，取消了在进行人体药物试验之前必须进行动物试验的要求。“现在，我们更需要非动物模型来补充动物模型，”Tu说。“这项工作证明，使用通用的非动物模型来研究这种疾病并测试可能的治疗方法，是有可能模拟复杂的心脏病的。”

Tachycardia-induced metabolic rewiring as a driver of contractile dysfunction