类人血浆培养基可促进人多能干细胞衍生的心肌细胞在结构和代谢方面的成熟

《Bioengineering & Translational Medicine》：Human plasma-like medium enhances structural and metabolic maturation of human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes

hPSC-CMs在HPLM培养基中成熟度显著提升，表现为肌动蛋白异构体转换、钙离子动力学增强及氧化/糖酵解代谢协调。HPLM作为基础培养基可优化心肌细胞成熟，为药物开发和毒性筛查提供更精准模型。

　　在现代医学研究中，心脏疾病的治疗与药物开发依赖于对心脏细胞行为的深入理解。然而，传统上用于培养人类多能干细胞来源的心肌细胞（hPSC-CMs）的培养基往往无法准确反映人体心脏的生理环境，从而限制了这些细胞在药物筛选和疾病模型中的应用。为此，研究者们尝试开发一种更接近成人血浆代谢环境的培养基，以促进hPSC-CMs的成熟，使其更贴合实际的心脏生理功能。这项研究引入了一种名为“人类血浆样培养基”（HPLM）的新培养基，该培养基含有超过60种代谢物和小离子，其浓度与成人血浆中的相似。通过比较在HPLM和传统培养基（如RPMI）中培养的hPSC-CMs，研究发现HPLM能够显著促进心肌细胞的成熟，体现在转录组、结构和代谢等多个层面的改善。

首先，从转录组的角度来看，HPLM培养的hPSC-CMs表现出更接近成人心脏细胞的基因表达模式。通过批量RNA测序分析，研究人员发现HPLM能够增强与心脏成熟相关的基因表达，如心肌丝蛋白的成熟型异构体（如MYH7和MYL2）的表达增加，而发育阶段的异构体（如MYH6和MYL7）则减少。这些基因的表达变化反映了心肌细胞在结构和功能上的成熟过程，例如心肌丝蛋白异构体的转换、钙处理能力的提升以及氧化代谢的增强。HPLM的这些特性使得培养的hPSC-CMs在转录水平上更加接近成人心脏细胞，为研究心脏发育和疾病提供了更有代表性的模型。

其次，从结构成熟的角度来看，HPLM促进了心肌细胞的结构重塑。研究人员通过免疫染色分析了心肌细胞中肌球蛋白重链（β-MHC）和轻链（MLC2v）的表达情况，发现HPLM培养的hPSC-CMs中β-MHC和MLC2v的比例显著增加，表明心肌细胞在结构上趋向成熟。此外，HPLM还导致心肌细胞的肌节长度延长和多核化现象增加，这些特征都是成熟心肌细胞的重要标志。同时，HPLM培养的细胞自主跳动频率下降，说明其在结构和电生理方面更加接近成熟的心肌细胞。

再者，从代谢成熟的角度来看，HPLM显著改善了hPSC-CMs的代谢特征。传统的RPMI培养基含有高浓度的葡萄糖（11.1 mM），而HPLM则采用了更接近人体生理浓度的葡萄糖（5 mM）。这种调整有助于心肌细胞从依赖糖酵解的代谢模式向以线粒体氧化磷酸化为主的代谢方式转变。通过 Seahorse 代谢分析，研究人员发现HPLM培养的hPSC-CMs具有更高的基础和最大氧化呼吸率，这表明其线粒体功能和代谢活性得到了显著增强。同时，HPLM还促进了细胞内的糖酵解活动，尽管这一过程在成熟心肌细胞中通常较为有限。这些代谢变化为心肌细胞提供了更全面的能量供应，支持其持续的收缩功能。

进一步的分析表明，HPLM不仅通过调整葡萄糖浓度，还通过引入其他代谢物（如谷胱甘肽、牛磺酸、乙酰卡尼丁等）促进了心肌细胞的成熟。这些代谢物在维持细胞红ox平衡、支持脂肪酸氧化和增强线粒体功能方面发挥了重要作用。此外，HPLM还包含了酮体（如3-羟基丁酸），这些物质在心脏成熟过程中被广泛研究，显示出对心肌细胞功能的重要影响。因此，HPLM的组成不仅限于葡萄糖浓度的调整，而是综合了多种代谢物，共同作用以推动心肌细胞的成熟。

研究结果还表明，HPLM能够促进钙处理能力的提升。钙离子在心肌细胞的收缩和电生理活动中起着核心作用，其动态变化是评估心肌细胞功能成熟的关键指标。通过实时钙动态成像，研究人员发现HPLM培养的hPSC-CMs表现出更高的钙瞬变幅度和更快的钙释放和回收速率，这与钙处理相关基因（如PLN、CASQ2）的表达增强相一致。这些变化表明，HPLM不仅支持了心肌细胞的结构成熟，还显著提升了其在钙信号传导方面的效率。

此外，HPLM对线粒体生物发生和功能的促进也值得关注。线粒体是心肌细胞能量代谢的核心，其数量和功能的增强是代谢成熟的标志。通过检测线粒体与核DNA的比例，研究人员发现HPLM培养的hPSC-CMs中线粒体数量显著增加，这表明其代谢能力得到了提升。同时，线粒体膜电位（MMP）的变化也被分析，结果显示HPLM培养的细胞在MMP方面没有显著变化，说明其代谢成熟主要依赖于线粒体数量的增加，而非单个线粒体的超极化。这些发现进一步支持了HPLM在促进代谢成熟方面的有效性。

尽管HPLM在多个方面促进了hPSC-CMs的成熟，但研究也指出了其局限性。当前实验主要关注了HPLM作为基础培养基的作用，未涉及其他已知的促进心肌细胞成熟的因素，如脂肪酸、糖皮质激素、甲状腺激素（T3）、胰岛素样生长因子（IGFs）和过氧化物酶体增殖物激活受体（PPAR）激动剂等。这些补充因子在心脏成熟过程中可能起到重要作用，因此未来的研究需要探索HPLM与其他成熟促进因子的组合效应，以进一步提升hPSC-CMs的成熟度。此外，由于hPSC-CMs在体外培养过程中往往呈现出混合的房室结细胞特征，研究者指出，未来的研究应结合亚型特异性采样、单细胞分析或亚型特异性分化策略，以更精确地评估不同亚型心肌细胞的成熟轨迹。

综上所述，HPLM作为一种新型的培养基，通过优化代谢物和离子的组成，显著提升了hPSC-CMs的结构、功能和代谢成熟度。这不仅有助于构建更接近人体心脏生理的体外模型，也为心血管疾病研究、药物诱导心毒性筛选和个性化治疗测试提供了新的工具。随着对hPSC-CMs培养条件的不断优化，HPLM有望成为推动心肌细胞成熟研究的重要基础，从而加速基础心脏研究向临床应用的转化。未来的研究可以进一步探索HPLM与其他成熟促进策略的协同作用，以实现更全面的心肌细胞成熟，进而提高其在疾病建模和药物开发中的适用性。