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为解决心肌再生难题，研究人员探究组织蛋白酶 K（CatK）抑制对人胚胎干细胞诱导心肌细胞（hESC-CMs）分化的影响，发现抑制 CatK 可促进分化，为心脏再生提供新思路。
心血管疾病（CVD）如同高悬在人类健康头顶的 “达摩克利斯之剑”，随着全球老龄化进程的加速，其发病率和死亡率持续攀升。目前，心脏组织受损后的修复面临着巨大挑战，心肌再生能力有限，这使得众多心血管疾病患者的生活质量大打折扣。从人类多能干细胞（hPSCs）中培育出功能性心肌细胞，为心脏再生医学带来了曙光，然而，如何高效、稳定地实现这一过程，成为了科研人员亟待攻克的难题。
在这样的背景下，河北大学的研究人员勇挑重担，开展了一项极具意义的研究。他们聚焦于组织蛋白酶 K（CatK），这是一种在心血管疾病治疗中颇具潜力的靶点，但其在心肌细胞分化和再生中的作用却迷雾重重。研究人员试图揭开这层神秘面纱，探究 CatK 抑制对人胚胎干细胞诱导心肌细胞（hESC-CMs）分化及心肌生成的影响和机制。该研究成果发表在《Stem Cell Research & Therapy》杂志上。
研究人员在实验过程中运用了多种关键技术方法。首先是细胞培养技术，利用 H9-hESCs 细胞系，在特定条件下进行培养并诱导其向心肌细胞分化；其次是生物信息学分析，筛选关键差异表达基因（DEGs）和功能通路；还运用了多种检测技术，如葡萄糖检测、流式细胞术分析、免疫荧光染色、实时定量 PCR 以及蛋白质免疫印迹分析等，从不同层面检测细胞的变化。
下面来看具体的研究结果：
- H9-hESCs 的心肌分化和生长特征：H9-hESCs 在分化过程中，形态变化显著。起初，细胞逐渐聚集增殖，当密度达到约 80% 时开始诱导分化。在十天的分化期内，历经中胚层和心脏中胚层形成、发育为心脏前体细胞（CPCs），最终成熟为心肌细胞。从分化第七天起，培养皿中出现局部自发心肌收缩，到第十天，心肌收缩团基本形成，在显微镜下如同跳动的小心脏。
- 筛选和富集 hESC-CMs 分化过程中 Wnt 调控下的差异表达基因：通过对数据集 GSE67154 进行生物信息学分析，研究人员筛选出 1917 个上调和 2151 个下调的 DEGs。功能富集分析发现，这些基因涉及缺氧反应、经典 Wnt 信号通路及其负调控等多个生物学过程；细胞组成富集分析表明，相关核心术语与细胞质、细胞膜等细胞结构有关；分子功能方面，主要涉及蛋白质结合和基因识别；KEGG 通路分析显示，hESC-CMs 分化涉及糖酵解 / 糖异生、Wnt 信号等多条信号通路，脂肪酸代谢和线粒体能量生产相关的基因和通路也显著富集。
- 组织蛋白酶 K 抑制剂促进 H9-hESCs 向心肌细胞分化：研究人员使用 CDM3 培养模型诱导心肌细胞成熟，并在分化的第 2、5、8 天分别添加组织蛋白酶 K 抑制剂 II。结果显示，在抑制剂处理组中，分化第七天就出现了大量自发收缩的心肌细胞簇，第九天细胞呈现出整齐的节律性收缩。通过检测心脏肌钙蛋白（cTNT）等指标发现，抑制剂处理组的 cTNT 表达更高，且细胞多能性标记基因表达受到抑制，心脏转录因子表达增加，表明心肌分化成熟度更高。
- 组织蛋白酶 K 抑制剂改变心肌分化过程中的葡萄糖代谢谱：在分化早期，添加抑制剂的组葡萄糖水平显著下降，糖酵解代谢基因表达降低；而在分化后期，葡萄糖水平回升，相关基因表达升高。这表明组织蛋白酶 K 抑制剂在早期抑制糖酵解，加速 H9-ESCs 向心脏中胚层和心脏前体细胞的分化，后期则增加葡萄糖利用，促进心肌细胞成熟。
- 组织蛋白酶 K 抑制剂调节心肌分化过程中的脂肪酸代谢和线粒体动力学：在整个分化过程中，组织蛋白酶 K 抑制剂处理组中与脂肪酸代谢相关的基因表达发生变化，如 ACACB、ACSL3 和 FABP3 等基因在早期表达降低，后期升高。同时，线粒体融合相关基因的表达也呈现先降低后升高的趋势，这表明抑制剂在早期抑制脂肪酸代谢和线粒体融合，促进细胞向心脏中胚层和心脏前体细胞分化，后期则通过增强脂肪酸合成和线粒体融合，为心肌细胞成熟提供能量。
- 组织蛋白酶 K 抑制剂影响 H9-hESC-CMs 分化过程中的 PPAR-γ 和细胞凋亡：研究发现，组织蛋白酶 K 抑制剂在整个分化过程中显著降低 CTSK 表达，在分化后期显著降低 PPARG 表达。同时，该抑制剂在分化早期和晚期明显下调促凋亡蛋白 Bax 和 Caspase 9 的表达，表明其具有抗凋亡作用。
- 组织蛋白酶 K 抑制剂影响 H9-hESC-CMs 分化后期溶酶体自噬标记物的 mRNA 水平：在分化后期，组织蛋白酶 K 抑制剂处理组中 TFEB 和 LAMP2 的表达显著升高，而 LAMP1、SQSTM1 和 MAP1LC3B 的表达在各阶段无明显差异。这表明抑制剂可增强 H9-hESCCMs 的溶酶体功能和自噬通量，有助于维持心肌细胞的正常生命活动。
综合研究结论和讨论部分，此次研究意义重大。研究表明，抑制组织蛋白酶 K 可通过调节糖脂代谢和线粒体成熟，促进 hESCs 向功能性心肌细胞分化。在分化早期和中期，抑制 CatK 减少糖酵解和脂肪酸代谢，降低凋亡蛋白表达，减少线粒体融合事件，促进细胞向心脏中胚层和心脏前体细胞分化；在分化中后期，细胞主要通过氧化磷酸化产生能量，利用葡萄糖和脂肪酸为主要能源，线粒体融合增加，溶酶体自噬被激活，细胞凋亡维持在较低水平，最终促进心肌细胞的成熟。
然而，该研究也存在一定局限性。研究仅使用 H9-hESCs 作为体外模型，其结果是否适用于其他类型的 PSCs（如 hiPSCs）尚不明确；组织蛋白酶 K 抑制剂在动物模型和临床前应用中的有效性和安全性也有待进一步验证。尽管如此，这项研究为深入理解 CatK 与心肌细胞分化的关系提供了新的理论依据，为心脏组织损伤修复提供了潜在的可再生细胞来源，也为心肌细胞分化和再生的临床应用和科学转化指明了方向。未来，随着研究的不断深入，有望为心血管疾病的治疗带来新的突破。
