心肌结构紊乱驱动人心肌细胞代谢效率低下的机制研究

本刊推荐：为解决心肌细胞结构紊乱与代谢功能障碍关系不明的问题，研究人员通过微图案化技术构建结构规整的人诱导多功能干细胞来源心肌细胞模型，发现线形肌原纤维排列通过增强线粒体-肌质网膜接触点，提升钙离子转运和脂质代谢，从而显著改善线粒体呼吸功能，为理解心肌病发病机制提供了新视角。

　　

在人体这台精密机器中，心脏犹如永不停歇的泵，而心肌细胞则是构成这个泵的核心功能单元。成年心肌细胞嵌入在高度组织化的心肌微环境中，这种独特的空间结构为细胞器排列和分布提供了关键几何线索，塑造了心肌细胞特有的杆状形态。然而，在许多心脏疾病中，这种精密的细胞结构会被破坏，出现心肌细胞排列紊乱，即心肌结构紊乱。这种紊乱最初在肥厚型心肌病（HCM）中被描述为典型特征，后来发现也存在于先天性心脏病、心肌重构等多种心脏疾病中。

尽管心肌细胞结构紊乱与人类心脏疾病密切相关，但这种细胞水平的结构紊乱对心肌细胞功能的具体影响仍知之甚少。其中一个主要障碍是缺乏能够重现成年心肌细胞几何结构和组织特征的人类细胞模型。传统培养的人诱导多功能干细胞来源心肌细胞（hiPSC-CMs）通常呈现圆形或多角形，缺乏体内心肌细胞的线性排列特征，限制了对其结构-功能关系的研究。

在这项发表于《Communications Biology》的研究中，法国巴黎心血管研究中心的Charlene Jouve等研究人员开发了一种新型微图案化基底方法，通过定制化的线性微图案（宽度30微米）引导hiPSC-CMs形成结构规整的心肌微纤维，模拟体内心肌细胞的排列方式。研究团队将这种微图案化培养的hiPSC-CMs与标准无约束条件下培养的细胞进行对比，系统研究了细胞结构排列对线粒体形态和功能的影响。

研究人员主要采用了微图案化细胞培养、转录组测序、高分辨率呼吸测量、免疫荧光成像、透射电子显微镜和邻近连接分析等技术。研究使用健康男性志愿者来源的hiPSC细胞系（SKiPSC-31.3）进行心肌分化，通过Wnt信号通路调控和葡萄糖饥饿法获得心室样心肌细胞。

培养hiPSC-CMs为线性微纤维可改善结构组织

研究团队在分化第35天将hiPSC-CMs接种到微图案化或非图案化的基底上继续培养7天。微图案化基底由重复的30微米宽线条组成，周围是抗粘附聚合物，从而创建了生成线性肌原纤维的边界。结果显示，微图案化hiPSC-CMs形成了端对端连接的线性和排列整齐的心肌微纤维，几何形状与原代成年心肌细胞相似。相比之下，标准无约束条件下培养的hiPSC-CMs呈现圆形或多角形，不符合健康原代成年心肌细胞的形态特征。

通过免疫荧光显微镜评估细胞形态和肌节组织发现，虽然所有细胞都表达肌节蛋白心肌肌钙蛋白T2和心脏Z盘蛋白α-辅肌动蛋白，但微图案化hiPSC-CMs显示出更有组织的收缩装置，表现为肌原纤维在细胞质中的排列更加整齐，微纤维内的方向性更好。使用肌节纹理分析方法进一步量化显示，微图案化心肌细胞的伸长率（长轴与短轴长度之比）显著增加，肌节组织评分更高，细胞-肌节错位减少，静息肌节长度增加。

RNA测序鉴定代谢基因变化

转录组分析发现，尽管微图案化和非图案化hiPSC-CMs在结构上存在显著差异，但在单转录本水平上没有差异表达。然而，基因集分析检测到40条改变的通路，其中脂质代谢调控在微图案化hiPSC-CMs中显著上调。具体而言，参与甘油三酯和肉碱代谢的基因表达上调，脂肪酸氧化、TCA循环和呼吸电子传递通路也上调，而与糖酵解相关的基因显著下调。

蛋白质印迹分析显示，虽然总ACC和AMPK蛋白水平无差异，但微图案化hiPSC-CMs中脂肪酸线粒体转运蛋白CPT1水平增加，pACC^Ser79/ACC_total比率显著升高，表明乙酰辅酶A向丙二酰辅酶A的转化减少，而后者是脂肪酸进入线粒体的已知抑制剂。

肌节组织改变对呼吸功能的影响

通过测量氧消耗率（OCR）评估线粒体呼吸功能发现，微图案化hiPSC-CMs的基础呼吸、ATP产生（耦合呼吸）和最大呼吸均显著增强，但备用呼吸能力和质子漏无变化。细胞外酸化率（ECAR）测量显示两组细胞对葡萄糖的反应无差异，表明两种细胞类型中线粒体对糖酵解来源的丙酮酸利用效率相当。

能量表型分析表明，微图案化细胞采用了更需氧的代谢特征，而非图案化细胞更倾向于糖酵解。值得注意的是，线粒体复合物蛋白（ATP5A、UQCRC2、SDHB、I-NDUFB8、TOMM40、VDAC、OPA1和SDHA）的稳态水平在两组间无显著差异，表明氧化磷酸化（OXPHOS）能力的增强并非源于线粒体生物合成或含量的增加。

线粒体组织受线性微图案化的影响

使用MitoTracker染料评估线粒体网络形态发现，微图案化hiPSC-CMs的线粒体网络沿肌原纤维均匀分布和组织，而非图案化hiPSC-CMs的线粒体主要聚集在核周。成像分析和mtDNA含量定量显示，两组细胞的线粒体数量无差异，线粒体体积仅有轻微增加（1.065%），但分布模式发生显著改变。

肌节线性组织后肌质网与线粒体相互作用增强

透射电子显微镜分析显示，微图案化hiPSC-CMs的线粒体网络相对于肌原纤维和肌质网（SR）的组织结构更接近原代成年心肌细胞，线粒体更长、更细长。由于肌质网通过线粒体相关膜（MAMs）与线粒体发生物理和功能相互作用，研究人员检测了连接两种细胞器的蛋白质。

虽然IP3R1、VDAC1和GRP75蛋白的表达水平在两种条件下无显著差异，但原位邻近连接 assay（PLA）显示，微图案化hiPSC-CMs中IP3R1-VDAC1、IP3R1-GRP75和VDAC1-GRP75相互作用显著增强，表明肌质网-线粒体物理互连增加。使用Rhod-2 AM荧光探针检测发现，微图案化细胞中线粒体钙含量显著增加，而MCU和MICU1表达无差异，证明线性结构重组增强了肌质网-线粒体相互作用，导致线粒体钙摄取增加。

研究结论与意义

这项研究证实了结构决定功能在心肌细胞能量代谢中的核心地位。心肌细胞的线性结构组织通过创建能够最大化线粒体呼吸的细胞内环境，在不改变OXPHOS系统组件表达的情况下提高了生物能效。具体机制包括增强肌质网-线粒体相互作用，促进钙离子和脂质在细胞器间的转移，从而优化能量代谢。

研究结果有助于解释长期观察到的临床现象：在心力衰竭 preclinical 模型和患者中，心肌细胞形态异常和线粒体功能障碍常常同时出现，但只有少数心脏功能障碍是由原发性线粒体突变引起的。这表明，遗传、感染和机械损伤等因素可能首先导致细胞结构紊乱，进而引起线粒体生物能学缺陷。

该研究建立的微图案化hiPSC-CMs模型为研究人类心肌细胞结构-功能关系提供了可控实验框架，未来可结合疾病特异性iPSC模型（如携带心肌病相关突变的hiPSC-CMs），进一步揭示心肌结构紊乱在心脏疾病发病机制中的具体作用，为开发新的治疗策略提供理论基础。