人类心脏-巨噬细胞组装体模型揭示免疫-心脏互作新机制并为心律失常疾病建模提供新平台

《Cell Stem Cell》：Human heart-macrophage assembloids mimic immune-cardiac interactions and enable arrhythmia disease modeling

本刊推荐：为克服传统心脏模型缺乏免疫细胞的局限性，O'Hern团队开发了人心脏-巨噬细胞组装体(hHMA)模型。该研究通过将hPSC来源的单核细胞整合到心脏类器官中，成功模拟了胚胎心脏巨噬细胞(TRMPs)的整合过程，证实TRMPs通过细胞外囊泡(EVs)和胞葬作用(efferocytosis)等途径与心肌细胞通信。在慢性炎症模型中，hHMA重现了心房颤动(AF)特征，为研究免疫-心脏互作和心律失常机制提供了强大平台。

　　

心血管疾病是全球范围内导致死亡和发病的主要原因，然而我们对人类心脏的认知大多来源于动物模型，这些模型往往不能真实再现人类心脏的生理特征，导致临床转化效果不佳。尽管人类多能干细胞(hPSC)技术的发展促进了心脏细胞类型的生成，但现有模型在解剖结构、细胞组成和生理功能复杂性方面仍存在不足。特别是，传统心脏类器官缺乏关键的免疫细胞群体，如胚胎心脏组织驻留巨噬细胞(TRMPs)，这些细胞在心脏发育和生理过程中扮演着重要角色。

卵黄囊来源的胚胎心脏TRMPs在发育早期便定植于心脏，对心脏正常发育至关重要，参与组织重塑、血管生成、电传导、胞葬作用和免疫调节等多种过程。然而，由于研究工具的局限，TRMPs在人类心脏发育中的确切功能仍不清楚。此外，慢性炎症与心律失常特别是心房颤动(AF)的发生密切相关，其中NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NLRP3)炎症小体的激活被认为是致心律失常的关键驱动因素，但缺乏包含免疫细胞的心脏模型限制了相关机制研究的深入。

为突破这些研究瓶颈，密歇根州立大学的Colin O'Hern等研究人员在《Cell Stem Cell》上发表了最新研究成果，开发了一种新型人类心脏-巨噬细胞组装体(hHMA)模型。研究人员通过将自体hPSC来源的胚胎单核细胞整合到心脏类器官(hHO)中，成功生成了具有生理相关性的TRMPs，这些TRMPs能够长期存在并参与心脏发育过程。更为重要的是，研究团队利用该模型成功模拟了慢性炎症驱动的心律失常疾病表型，为研究免疫-心脏相互作用和心律失常机制提供了强大的体外平台。

研究团队主要运用了人多能干细胞(hPSC)定向分化技术、心脏类器官(hHO)培养体系、单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术、免疫荧光染色与共聚焦显微镜成像、细胞外囊泡(EVs)分离与蛋白质组学分析、光学相干断层扫描(OCT)、实时荧光定量PCR(RT-qPCR)、流式细胞术以及活细胞电生理成像等关键技术方法。这些技术方法的综合运用使得研究人员能够从多个维度全面解析hHMA模型的细胞组成、分子特征和功能特性。

A developmentally inspired strategy to efficiently integrate autologous hPSC-derived yolk-sac-like embryonic monocytes in hHOs

研究人员首先建立了一种发育启发的策略，将自体hPSC来源的卵黄囊样胚胎单核细胞高效整合到hHOs中。通过时序添加单核细胞，成功实现了CD45⁺细胞在hHMA中的稳定整合，且整合比例与胚胎心脏生理水平相符。

Integrated monocytes adopt embryonic cardiac TRMP fate and persist in hHMAs over time

整合的单核细胞成功分化为心脏TRMPs，并能够在hHMA中长期存在。单细胞转录组分析证实这些TRMPs表达典型的胚胎心脏TRMP标志物，且与人类胚胎心脏中的TRMPs具有高度相似性。

TRMPs promote glycolytic activity and alter hHMA morphology

TRMPs的引入显著改变了hHMA的代谢活性和形态特征。基因集富集分析(GSEA)显示hHMA中糖酵解相关基因表达上调，光学相干断层扫描(OCT)揭示hHMA具有更大的相互连接的低声密度区域，表明巨噬细胞参与腔室形态发生。

Cardiac TRMPs alter hHMA cellular composition and mirror embryonic human heart TRMP profiles

TRMPs的整合显著改变了hHMA的细胞组成，导致心脏成纤维细胞(CFs)、心室心肌细胞(VCMs)和瓣膜细胞(VCs)群体扩大，而传导细胞(CCs)、心脏祖细胞(CPCs)等群体减少，更接近胚胎人类心脏的细胞组成特征。

TRMPs secrete SPP1+ EVs and contribute to cell signaling in hHMAs

TRMPs通过分泌富含SPP1(骨桥蛋白)的细胞外囊泡(EVs)参与细胞间通信。蛋白质组学分析发现hHMA EVs中含有150种独特蛋白质，包括多种巨噬细胞特异性蛋白，这些蛋白质主要富集在内体运输、整合素结合、细胞-基质粘附等通路。

hHMAs contain functional cardiac TRMPs that couple to the electrical system, perform efferocytosis, alter collagen fibril organization, and boost ventricular myogenesis

hHMA中的TRMPs具有完整的功能特性：能够通过连接蛋白43(CX43)与心肌细胞形成间隙连接，参与电传导；通过MER原癌基因酪氨酸激酶(MERTK)介导胞葬作用；调节胶原蛋白1A1(COL1A1)的组织分布；促进心室肌生成和收缩功能。

Establishing a model of AF in maturated hHMAs: Chronic exposure to AF-associated inflammatory triggers induces NLRP3 activation and atrial arrhythmias

研究人员成功在成熟的hHMA中建立了AF疾病模型。慢性暴露于炎症因子(LPS、IL-1β、IFN-γ)可诱导NLRP3炎症小体激活，导致心房心肌细胞(ACMs)出现自发不规则节律、早期后除极(EADs)、延迟后除极(DADs)等AF特征性电生理异常。

TRMPs adopt a pro-inflammatory phenotype and promote increased atrial excitability under chronic inflammation

在慢性炎症条件下，TRMPs极化为促炎表型，表达NLRP3炎症小体相关基因和促炎细胞因子显著上调，进一步加剧了心房心肌细胞的兴奋性，表明TRMPs在炎症驱动的心律失常中发挥重要作用。

该研究的结论部分强调，hHMA模型首次在完全基于发育自组织的人类心脏平台中实现了自体心脏TRMPs的整合，为研究人类心脏发育和疾病提供了重要工具。研究表明TRMPs通过多种机制与心脏细胞通信，调节心脏发育和电生理功能。在疾病建模方面，研究证实慢性NLRP3炎症小体激活可诱导心房颤动样表型，而TRMPs的促炎极化进一步加剧了心律失常的发生发展。

这项研究的重大意义在于创建了一个高度复杂的人类心脏模型，能够真实模拟免疫-心脏相互作用，为研究心脏发育、生理功能和疾病机制提供了前所未有的平台。特别是在心律失常研究领域，hHMA模型为理解炎症驱动的心电重构机制和开发新的治疗策略开辟了新途径。该模型不仅有助于基础机制研究，还具有重要的药物筛选和个性化医疗应用前景，为心血管疾病研究领域带来了突破性进展。