综述：设计用于临床转化的多细胞心脏组织工程技术

这篇综述系统探讨了心脏组织工程（CTE）技术在临床转化中的关键挑战与解决方案，重点聚焦于多细胞系统构建、规模化生产和高通量应用。作者提出三大核心方向：1）hPSC（人多能干细胞）衍生心肌细胞（CMs）及基质细胞的定向分化；2）通过生物材料（如水凝胶）和生物制造技术（如3D生物打印）模拟心脏超微结构；3）针对病理建模、药物筛选和再生治疗等应用场景定制系统设计。文章特别强调多细胞互作（如CM-成纤维细胞-内皮细胞轴）对组织功能成熟的决定性作用，为开发下一代心脏疾病模型和疗法提供了路线图。

　　

引言

心血管疾病作为全球头号死因，每年夺走三分之一的生命。传统二维（2D）细胞培养和动物模型难以模拟人类心脏疾病的复杂性，催生了心脏组织工程（CTE）技术的兴起。通过结合人多能干细胞（hPSC）、生物材料和工程学方法，CTE构建的三维（3D）心肌组织系统正在革新疾病建模、药物开发和再生医学领域。

生成心肌细胞类型

hPSC技术实现了从胚胎干细胞到诱导多能干细胞的突破，使无限量生产各类心脏细胞成为可能。早期通过胚胎体（EB）自发分化获得的心肌细胞（CMs）存在异质性问题，而现代单层分化协议通过精确调控Wnt、BMP和FGF信号通路，可定向生成心房、心室或起搏细胞亚群。值得注意的是，hPSC衍生的CMs普遍呈现胎儿样表型，其结构功能远未达到成人水平。

心脏中非心肌细胞（如成纤维细胞、内皮细胞和巨噬细胞）的数量占比高达70%，这些细胞通过旁分泌和直接接触调控心肌功能。利用hPSC定向分化技术，现已能获得心外膜来源的成纤维细胞、血管平滑肌细胞，以及神经嵴衍生的自主神经元。最新研究尝试通过单流程协议同步生成多种心脏细胞，但规模化生产仍面临挑战——尤其是CMs几乎无增殖能力，需依赖细胞周期基因激活或接触抑制解除等创新策略。

构建组织结构与功能

天然水凝胶（如胶原、纤维蛋白）因其类ECM特性成为CTE主流材料。通过微球自组装形成的"心脏类器官"能模拟心脏管腔形成，但结构各向同性；而采用模具固定的工程化心脏组织（EHT）在机械负荷下可形成高度各向异性结构，更接近真实心肌。合成聚合物（如PLGA）虽可调控弹性模量，但需表面修饰以促进细胞粘附。

多细胞整合是功能优化的关键：成纤维细胞通过重塑ECM提升CM排列和收缩力；内皮细胞通过VEGF信号促进血管网络形成；而心脏巨噬细胞不仅能清理凋亡细胞，还能直接增强电传导。微流控技术和3D生物打印正推动血管化心脏组织的构建，但如何平衡高通量（如96孔板格式）与结构复杂度仍是难题。

应用导向的系统设计

成熟化培养：成人CMs依赖线粒体氧化代谢，而hPSC-CMs主要靠糖酵解。联合电刺激（模拟心率）、机械拉伸（模拟收缩负荷）和脂肪酸补充，可显著提升组织成熟度。非心肌细胞（如成纤维细胞的干扰素信号）的成熟同样重要，但目前缺乏针对性方案。

高通量药物筛选：微型化EHTs结合运动追踪算法，可同时检测数千样本的收缩参数。单细胞RNA测序（scRNA-seq）揭示COVID-19中内皮特异性炎症通路，而空间转录组技术正解码细胞微环境对话。这些技术将帮助建立"分子-细胞-器官"跨尺度关联。

心脏修复疗法：首个人体临床试验中的CTE移植物面临血管化不足和免疫排斥两大瓶颈。动物实验表明，添加血管细胞（内皮细胞/周细胞）可提升移植物存活率，而巨噬细胞极化可能调控局部免疫微环境。未来需明确治疗机制是源于机械支持、旁分泌效应，还是宿主细胞重编程——这将决定其最适合应用于急性心梗（AMI）还是晚期心衰（AHF）。

结语

CTE技术正从单一心肌培养迈向多细胞整合系统，其成功取决于对心脏"社会性"（细胞互作）的精准模拟。随着hPSC规模化生产、免疫兼容性优化和血管化技术的突破，这类系统有望成为连接基础研究与临床治疗的桥梁，最终实现"个体化心脏修补"的愿景。