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本文聚焦心脏组织工程难题，研究发现几何控制的心脏微组织（由人诱导多能干细胞衍生的心肌细胞（hiPSC-CMs）等构成）能促进血管化、减少炎症，在体外和体内实验中均展现优势，为心脏修复和再生医学提供了极具潜力的新途径。
研究背景
在心脏再生医学领域，心脏组织工程面临着诸多挑战。人诱导多能干细胞衍生的心肌细胞（hiPSC-CMs）虽被视为有前景的细胞来源，但移植后存在存活率低、移植物尺寸受限等问题，这主要是由于缺血环境和宿主免疫反应的影响。过去许多研究致力于在心脏组织中构建功能性血管系统，以提高 hiPSC-CMs 的移植效果，然而，现有的方法，如简单共培养内皮细胞（ECs）和壁细胞，或是利用预先构建的生物材料血管，都存在各自的局限性，如血管结构不完善、缺乏动态重塑能力等。同时，移植细胞的免疫特性和炎症微环境也对移植效果产生重要影响。基于此，研究人员提出假设，通过调节工程组织及其宿主环境的炎症特性，并建立可灌注的动态血管网络，有望促进移植细胞的存活和移植物的功能改善。
实验设计
- 构建心脏微组织：研究人员利用 hiPSC-CMs 和心脏成纤维细胞（cFBs），通过软光刻技术在聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具中构建了具有特定几何形状的心脏微组织。设计了多种不同几何形状和支柱数量的模具平台，以研究其对细胞排列和微组织形成的影响。
- 体外实验：将构建的心脏微组织与 ECs 和牙髓干细胞（DPSCs）进行共培养，评估其在体外促进血管网络形成的能力。同时，利用定制的生物反应器，比较分散 CM 和微组织在体外构建大型血管化心脏组织的效果，包括组织的完整性、收缩性和电兴奋性等方面。
- 体内实验：将分散细胞或微组织封装在纤维蛋白水凝胶载体中，植入成年雄性和雌性无胸腺裸鼠的大网膜内，观察其在体内的存活、移植、炎症反应和血管生长情况。通过对植入组织的组织学、免疫组化分析，评估微组织对 hiPSC-CMs 存活和大网膜移植的影响。
- 机制研究：对含有分散细胞或微组织的纤维蛋白圆顶以及匹配的大网膜样本进行蛋白质分析，研究 Yes 相关蛋白（YAP）信号通路在微组织调节炎症反应和促进移植中的作用机制。同时，分析微组织和分散细胞的分泌组差异，探究其对心脏组织移植、血管化和巨噬细胞激活的影响。
实验结果
- 微组织的构建和特性：通过实验确定了双支柱设计的模具更有利于细胞的对齐和微组织的形成。在双支柱设计的 “八” 字形和 “糖果” 形孔中形成的心脏微组织，细胞排列更有序，组织形成成功率更高。其中，“糖果” 形孔的微组织表现出更高的收缩力和更短的收缩持续时间。
- 体外血管化能力：在体外共培养实验中，微组织 / EC/DPSC 组形成了连续的管状血管结构，且血管网络在培养 14 天内持续发展，表现为血管连接密度增加、平均血管长度增加和 lacunarity 降低。相比之下，分散细胞（CM/EC/DPSC）组的血管化效果较差，血管结构不连续。
- 体外构建大型组织的能力：在定制的生物反应器中，微组织 / EC/DPSC 组能够形成完整且收缩性良好的大型组织，而分散 CM/EC/DPSC 组的组织则出现明显的压实和部分脱离。此外，微组织 / EC/DPSC 组的电兴奋性也显著提高。
- 体内移植效果：在大网膜移植实验中，微组织组的 hiPSC-CMs 存活率和移植效果明显优于分散细胞组。微组织组的 CMs 在大网膜中形成了组织簇，且具有明显的条纹，而分散细胞组几乎没有检测到 CMs。同时，微组织组促进了大网膜血管的向内生长，减少了总巨噬细胞（CD68+）的浸润，并增加了促再生巨噬细胞（CD206/CD68 比值）的比例。
- 机制研究结果：YAP 信号通路在微组织的免疫调节中发挥重要作用。与分散细胞组相比，微组织相关的非 CM 细胞群体中 YAP1 的表达和核定位显著降低，这表明微组织通过下调 YAP/TAZ 通路，抑制了炎症反应，从而促进了 hiPSC-CMs 的存活和移植。此外，微组织分泌组分析显示，微组织 / EC/DPSC 组的细胞死亡和细胞毒性相关指标（如乳酸脱氢酶（LDH）、细胞游离线粒体 DNA（mtDNA））显著降低，同时促血管生成细胞因子（如胎盘生长因子（PIGF）、内联蛋白（endocan）、血管生成素 - 2（angiopoietin-2））升高，炎症标志物（如白细胞介素 - 31 受体 A（IL-31 RA）、白细胞介素 - 2 受体 β（IL-2 Rβ）、OX40 配体等）降低，这进一步解释了微组织促进血管化和减少炎症的机制。
研究讨论
- 微组织的优势：本研究表明，几何形状和支柱排列对微组织的功能性能具有重要影响。双支柱微组织在细胞对齐、组织架构和功能方面表现出优势，为构建更大的功能性组织提供了良好的基础。此外，微组织在减少炎症分泌组和调节 YAP 通路方面的独特作用，使其在体外血管化和体内移植中展现出更好的效果。
- 与其他研究的比较：与以往研究相比，本研究不仅证实了微组织在细胞保留和血管化方面的优势，还深入探讨了其免疫调节机制。研究发现，微组织通过稳定的微环境、减少细胞死亡和调节细胞因子分泌，促进了血管网络的形成和稳定，同时降低了炎症反应，为心脏组织工程提供了新的思路。
- 体内实验的意义和局限性：选择大网膜作为植入部位，为研究微组织在体内的行为提供了一个相对稳定且血管丰富的环境，有助于排除缺氧对细胞存活的影响。然而，大网膜植入可能无法完全模拟心脏植入的情况，未来需要进一步研究微组织在心脏缺血环境中的应用效果。此外，本研究在微组织的长期效果评估、精确量化细胞数量和 YAP 激活等方面还存在一定的局限性，需要在后续研究中加以改进。
- 未来展望：未来研究可进一步探索微组织与预形成的管腔网络共培养的效果，以增强血管向内生长的能力。同时，通过长期培养和电刺激等方法促进微组织的进一步成熟，有望提高其在心脏修复和再生医学中的应用潜力。此外，将原始巨噬细胞纳入微组织可能会进一步改善 CM 的保留和组织血管化。
研究结论
本研究表明，将 hiPSC-CMs 构建成几何控制的微组织，能够显著调节免疫反应，提高 CM 的存活率和移植效果，促进大型组装组织的形成。微组织在体外和体内均能有效促进血管网络的形成，为心脏修复和再生医学提供了一种有前景的新方法。
