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为探究蛋白激酶 A（PKA）活性在心脏类器官中的时空动态，以色列理工学院研究人员开展研究，发现其活性受药物调节且具空间异质性，这有助于理解心脏类器官复杂调控机制，推动心血管研究。
在心脏的奇妙世界里，心律失常就像一场 “电风暴”，时刻威胁着心脏的正常节律。心脏组织作为研究心脏功能与异常的关键模型，其电信号传播的紊乱正是心律失常发生的 “导火索”。而源自人类诱导多能干细胞（hiPSCs）的心脏类器官，宛如心脏组织的 “迷你复刻版”，成为研究心脏电活动机制的优质模型，为探索心律失常的奥秘提供了重要途径。
蛋白激酶 A（PKA）在心脏细胞中扮演着极为重要的角色，它就像一把 “分子钥匙”，能磷酸化众多与心脏跳动速率调节息息相关的关键蛋白，比如细胞膜上的离子通道、肌浆网（SR）上的蛋白、肌节蛋白以及转录因子等。PKA 活性一旦失调，就可能引发心律失常，然而，此前其在心脏类器官或心脏组织中的时空活性变化却鲜为人知。复杂的三维心脏类器官结构，有着清晰的肌节形成和电活动传播，相比单细胞，能为研究 PKA 动态变化及其调控机制提供更接近生理状态的环境。为了填补这一知识空白，以色列理工学院（Technion - Israel Institute of Technology）的研究人员勇挑重担，开展了一项极具意义的研究，相关成果发表于iScience期刊。
研究人员为了深入探究 PKA 活性在心脏类器官中的时空动态变化，运用了多种先进的技术方法。首先，利用 FRET（荧光共振能量转移）技术，这就像是给 PKA 活性变化装上了一个 “荧光追踪器”，能够实时、动态地监测 PKA 活性在心脏类器官中的变化情况。同时，通过构建心脏类器官模型，将 hiPSCs 诱导分化为心肌细胞（CMs），并进一步培育成心脏类器官，为研究提供了理想的实验对象。此外，研究人员还借助 Hill 方程进行回归分析，精准地刻画 PKA 活性与药物浓度之间的关系，从而深入了解 PKA 活性的变化规律。
下面来看看具体的研究结果：
- AC 激动剂对 PKA 活性的影响：研究人员用不同浓度的佛司可林（forskolin，一种 AC 激动剂）处理心脏类器官，结果发现 PKA 活性水平随着佛司可林浓度的升高而显著增加。通过对 YFP/CFP 信号的分析，发现平均局部归一化 YFP/CFP 信号呈剂量依赖性上升，在 100μM 佛司可林处理时，达到最大平均增幅 52.4±3.3%。同时，免疫染色结果也证实，佛司可林确实能增加磷酸化受磷蛋白的染色强度，表明其有效提升了 PKA 活性。
- PKA 抑制剂对 PKA 活性的影响：当使用 PKA 抑制剂 H - 89 处理心脏类器官时，情况则相反。随着 H - 89 浓度升高，平均局部归一化 YFP/CFP 信号呈剂量依赖性下降，在 10μM H - 89 处理时，最大平均降幅达到 10.8±2.7%。免疫染色显示，H - 89 处理后磷酸化受磷蛋白的染色强度降低，说明 H - 89 成功抑制了 PKA 活性。
- 交感和副交感刺激对 PKA 活性的影响：在交感刺激实验中，使用异丙肾上腺素（isoproterenol，一种 β - 肾上腺素能激动剂）处理心脏类器官，发现平均局部归一化 YFP/CFP 信号同样呈剂量依赖性增加，在 1000nM 异丙肾上腺素处理时，最大平均增幅为 35.7%±3.2%。而在副交感刺激实验中，用卡巴胆碱（carbachol，一种毒蕈碱激动剂）处理心脏类器官，平均局部归一化 YFP/CFP 信号呈剂量依赖性下降，在 1000nM 卡巴胆碱处理时，最大平均降幅为 6.4%±1.0%。这表明交感和副交感刺激对心脏类器官 PKA 活性有着不同程度的影响，且交感刺激引起的 PKA 活性增加幅度大于副交感刺激引起的活性降低幅度。
- PKA 活性与药物浓度的相关性：通过对四种测试药物（佛司可林、H - 89、异丙肾上腺素、卡巴胆碱）的剂量 - 反应测量进行基于 Hill 方程的回归分析，发现所有药物浓度与 PKA 活性之间都呈现出紧密的非线性关系。例如，佛司可林浓度与平均荧光信号回归的 R2 达到 0.99，每个类器官的回归 R2 为 0.93±0.01，这说明 Hill 方程能很好地拟合 PKA 在心脏类器官中的行为。
- 药物对 PKA 活性的空间调制：研究人员进一步探索 PKA 活性在心脏类器官中的空间分布，发现不同药物处理后，PKA 活性在类器官不同区域呈现出明显的异质性。佛司可林和异丙肾上腺素对心脏类器官的空间异质性影响较大，几乎所有区域都对这两种物质有阳性反应；而 H - 89 和卡巴胆碱的空间异质性影响相对较小，只有约一半区域有阳性反应。而且，激活 AC - cAMP/PKA 级联的药物（佛司可林和异丙肾上腺素）引发的反应比抑制该级联的药物（H - 89 和卡巴胆碱）更强。
综合来看，该研究首次全面测量了心脏类器官中 PKA 活性在 AC - cAMP/PKA 级联调制下的时空动态变化。研究结果表明，心脏类器官在受到激活或抑制 PKA 信号的药物处理时，PKA 活性表现出强劲且空间异质的特点，并且对 PKA 活性刺激剂的反应比抑制剂具有更高的空间异质性。这一研究成果意义重大，不仅为深入理解心脏类器官内复杂的调控机制提供了关键线索，还有助于推动心血管研究领域的发展，为未来心律失常等心脏疾病的研究和治疗开辟新的方向。不过，该研究也存在一定的局限性，目前的结果仅适用于单一细胞系，未来还需要更多研究来进一步验证和拓展这些发现。
