体外模拟心脏机械负荷动力学：促进心肌细胞成熟与疾病建模的新策略

《Cardiovascular Research》：In vitro approaches to mimic cardiac mechanical load dynamics for enhancing maturation and disease modelling

本综述聚焦于利用人诱导多能干细胞(hiPSC)技术构建体外心脏模型时面临的成熟度瓶颈问题，系统探讨了如何通过模拟心脏前负荷(preload)和后负荷(afterload)的机械动力学来提升hiPSC来源心肌细胞(hiPSC-CM)的结构与功能成熟度。研究人员详细分析了生物制动器、可拉伸膜、工程化心脏组织(EHT)、心脏腔室模型及微组织等平台在机械刺激参数（频率、应变、模式等）优化方面的最新进展，证实机械负荷能显著改善肌节组织、收缩力、电生理特性等关键指标，并成功应用于扩张型心肌病(DCM)、肥厚型心肌病(HCM)等疾病建模。该研究为心脏病理机制解析和再生医学提供了重要的技术支撑。

　　

心血管疾病是全球主要的健康负担，而人诱导多能干细胞(hiPSC)技术的出现为心脏疾病建模和药物筛选提供了新的工具。然而，hiPSC分化的心肌细胞(hiPSC-CM)通常表现出不成熟的胎儿样表型，这限制了其在研究和临床应用中的可靠性。近年来，研究者们意识到，心脏在体内不仅受到电信号和生化因子的调控，还持续承受着复杂的机械力学刺激，尤其是前负荷（舒张期心肌纤维的拉伸）和后负荷（收缩期需克服的血管阻力）。这些动态力学信号在心脏发育、成熟及病理重塑中起着关键作用，但如何在体外模型中准确模拟这些机械负荷仍是一个挑战。

为系统解决这一问题，研究人员在《Cardiovascular Research》上发表了综述文章，全面总结了体外模拟心脏机械负荷动力学的策略及其在促进心肌细胞成熟和疾病建模中的应用。研究团队来自荷兰特温特大学、埃因霍温理工大学等机构，通过整合多学科视角，为心脏组织工程提供了重要的理论和技术参考。

研究主要依托几类关键技术平台：生物制动器通过电磁或气动装置对三维心脏构建体施加循环拉伸；可拉伸膜系统利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)等弹性膜对心肌细胞单层或三维结构进行多轴应变加载；工程化心脏组织(EHT)将细胞包裹于水凝胶中并锚定于弹性支柱，通过调节支柱间距和刚度分别模拟前、后负荷；心脏腔室模型通过构建中空泵血结构，结合流体控制实现多轴应变和可调后负荷；微组织（如心脏类器官、球体）则通过磁珠操控或微通道限制施加机械刺激。此外，研究还重点分析了患者来源hiPSC-CM在疾病建模中的应用，以及机械刺激参数（频率、应变幅度、持续时间等）对细胞成熟的调控作用。

心脏主动机械线索在心脏形态发生和功能中的作用

心脏发育过程中经历心管形成、心脏环化、小梁化及分隔等关键阶段，其间机械力（如剪切应力、循环拉伸、血管阻力）通过机械转导机制调控心肌细胞增殖、分化和组织重构。例如，血流剪切应力通过心内膜纤毛感知，调节心肌层生长；循环收缩力调控肌节侧向融合和瓣膜形成。成年心脏中，前负荷通过弗兰克-斯塔林机制调节收缩力，后负荷则诱导生理性肥厚以适应血流动力学需求。

心脏环境的生物力学特性

心脏机械环境包括被动（细胞外基质刚度、肌纤维取向）和主动（前、后负荷）线索。成年心肌细胞外基质弹性模量约为25 kPa，胶原网络提供结构支持和黏弹性。心肌细胞通过肌节内钛蛋白(titin)、细胞间连接（如黏附连接、桥粒）及拉伸敏感离子通道（如Piezo1、TRP）感知机械刺激，实现力传导。

前负荷和后负荷的体外调控

生物制动器通过循环拉伸模拟前负荷，但后负荷模拟仍较困难；可拉伸膜系统可实现多轴应变，但难以直接获取收缩力读数；EHT平台通过调节支柱间距和刚度分别模拟前、后负荷，且能动态调控；心脏腔室模型通过流体注入和流出阻力模拟多轴前负荷和可调后负荷，但需大量细胞；微组织通过磁控或微通道拉伸施加前负荷，后负荷模拟尚未实现。

主动机械应变参数在前负荷调控中的作用及其体内相关性

频率多采用1–1.25 Hz模拟成人静息心率；应变幅度在10%–20%时对肌节长度和收缩力提升最显著；刺激模式（连续、间歇、渐进）中渐进式拉伸更易诱导生理性肥厚；持续时间从数小时至数周不等，短时刺激激活早期基因，长时刺激上调纤维化通路；占空比模拟心脏收缩-舒张不对称性，但研究较少。

主动前负荷调控促进心肌细胞成熟

结构上，机械刺激促进细胞伸长、肌节长度增加（可达2.19 μm）和排列有序；蛋白表达方面，连接蛋白43(Cx43)、肌球蛋白重链7(MYH7)等成熟标志物上调；收缩力提升1.4–5.1倍，弗兰克-斯塔林关系成功复现；电生理上，自发搏动频率同步化，动作电位上升速度提升，力-频率关系转为阳性。

当前心肌细胞与成年心肌细胞的差距

尽管机械刺激显著改善hiPSC-CM成熟度，但在细胞体积、双核化、肌小管结构、线粒体含量（仅达成年30%）、收缩力（最高11 mN/mm2，成年为10–50 mN/mm2）及电生理参数（如上升速度、传导速度）仍低于成年水平。渐进式机械加载联合电刺激、代谢调控等方法有望进一步缩小差距。

通过主动机械加载改进体外心脏疾病建模

机械负荷平台已成功用于疾病建模：扩张型心肌病(DCM)通过高应变诱导组织拉长和代偿反应；肥厚型心肌病(HCM)通过增加后负荷模拟病理肥厚；致心律失常性心肌病(ACM)利用患者来源hiPSC-CM结合机械拉伸揭示细胞连接异常；心力衰竭模型通过应变上调纤维化标志物；心脏纤维化模型中机械刺激促进肌成纤维细胞转化和细胞外基质沉积。此外，机械预处理的心脏移植物在动物模型中显示更好的植入效果和功能恢复，已进入临床试验阶段。

该研究系统阐述了机械负荷在心脏成熟和疾病建模中的关键作用，强调了标准化刺激参数和跨平台比较的重要性。尽管现有平台在模拟生理和病理条件方面已取得显著进展，但仍需在细胞组成复杂性、机械传感机制解析及后负荷动态调控方面进一步优化。通过整合机械加载与电生理调控、代谢重编程等策略，有望推动hiPSC-CM向成年表型转变，为心脏疾病建模和再生医学提供更可靠的平台。