高通量培养体系中人心肌细胞与心脏成纤维细胞的周细胞氧动态：实验与建模的深度解析

为解决高通量(HT)培养体系中人类干细胞衍生细胞氧合监测的空白，研究人员通过光学测量与计算建模相结合，系统研究了hiPSC-CMs(诱导多能干细胞衍生心肌细胞)和cFBs(心脏成纤维细胞)在不同细胞密度和培养液高度下的周细胞氧动态。研究发现细胞密度和氧扩散路径显著影响氧供应平衡，并建立了能准确预测hiPSC-CMs复杂氧动态的时变Vmax 模型。该研究为优化心脏细胞培养条件提供了重要指导，对心脏毒性测试、药物开发和再生医学具有重要价值。

　　

在生物医学研究领域，人类诱导多能干细胞(hiPSC)技术的突破为心脏疾病研究和药物开发带来了革命性变化。然而，随着高通量(HT)培养技术在hiPSC衍生心肌细胞(hiPSC-CMs)规模化生产和药物筛选中的广泛应用，一个关键问题日益凸显：这些细胞在标准化培养体系中的真实氧合状态究竟如何？事实上，细胞周围的微环境氧浓度(称为周细胞氧)对细胞功能具有决定性影响，特别是在代谢旺盛的心肌细胞中，氧浓度的微小变化就可能显著改变细胞的生理状态和药物反应性。

传统培养体系存在一个鲜为人知的矛盾：一方面，研究者们普遍关注培养箱内的大气氧浓度(通常为18.5%)；另一方面，细胞实际"感受"到的周细胞氧浓度可能与之大相径庭。在心脏组织中，生理性周细胞氧浓度仅为3-6%，远低于培养箱环境。这种差异可能导致体外培养的hiPSC-CMs处于非生理状态，进而影响实验结果的可靠性。更复杂的是，在高通量培养板(如96孔板)中，由于培养液高度和细胞密度的变化，氧扩散动力学变得更为复杂，但目前关于这种体系中氧动态的系统研究几乎空白。

针对这一关键问题，来自国外研究机构的研究团队开展了一项创新性研究，结合先进的光学传感技术和计算建模方法，首次全面揭示了hiPSC-CMs和心脏成纤维细胞(cFBs)在高通量培养体系中的氧动态特征。相关成果发表在《Journal of Molecular and Cellular Cardiology Plus》上，为优化心脏细胞培养条件提供了重要理论依据。

研究采用了多项关键技术方法：1)基于PreSens系统的无标记光学氧传感技术，实现了对96孔板中周细胞氧的长期连续监测；2)建立了包含3D物理反应-扩散模型的计算框架，结合非线性优化算法分析氧消耗动力学；3)系统考察了三种细胞密度(156,000、78,000和39,000 cells/cm²
)和四种培养液高度(9.9、6.6、3.3和1.65 mm)的组合效应；4)使用人源hiPSC-CMs(来自女性高加索供体)和成人心室cFBs作为研究对象，所有实验均设置生物学重复并经过统计学验证。

研究结果部分揭示了多项重要发现：

"Effects of cell culture density and solution height on cFBs oxygen consumption"表明，在所有实验条件下，cFBs均处于高氧状态(>10%周细胞氧)。计算模型显示，考虑细胞增殖(倍增时间27小时)的时间不变V_max
模型能很好拟合cFBs的氧消耗曲线，且低密度培养的cFBs表现出更高的单位细胞V_max
。

"Experimental results on hiPSC-CMs oxygen consumption"部分发现，hiPSC-CMs的氧动态显著不同。高细胞密度(156,000 cells/cm²
)和大培养液体积(≥200μL)条件下，细胞在数小时内即可进入缺氧状态(<2%周细胞氧)。统计分析证实细胞密度和培养液高度对hiPSC-CMs的稳态周细胞氧水平均有极显著影响(p<0.0001)。

"Long-term adaptation of hiPSC-CM oxygen consumption"展示了培养时间对hiPSC-CMs的重要影响。随着培养时间延长(至5天)，细胞表现出更快的初始氧消耗速率和更低的稳态值，提示细胞代谢活性增强。特别值得注意的是，从第2天开始，部分样品出现非单调的间歇性氧动态，可能是细胞对缺氧条件的适应性反应。

"Modeling oxygen consumption in hiPSC-CMs"部分建立的时变V_max
模型成功拟合了hiPSC-CMs的复杂氧动态。分析显示，中等培养液体积(100-200μL)条件下的hiPSC-CMs表现出最高的V_max
，可能反映了最佳代谢状态。相比之下，50μL的超低体积导致高氧条件，而300μL的高体积则容易引发缺氧。

"Summary of results and analytical solution"部分提出了一个简化解析解，通过Damkohler数(Da)将系统参数与稳态氧状态相关联。当Da≈1时，系统处于接近生理的常氧状态；Da<<1时为高氧，Da>>1则为缺氧。这一理论框架为快速评估和优化培养条件提供了实用工具。

研究结论与讨论部分强调，这项工作首次系统揭示了HT培养板中两种重要心脏细胞的氧动态特征，并建立了可准确预测这些动态的计算模型。研究发现具有多重重要意义：首先，明确了细胞密度和培养液高度是调节周细胞氧的关键因素，为实验设计提供了明确指导；其次，发现hiPSC-CMs在常规培养条件下极易进入缺氧或高氧状态，这可能显著影响药物筛选等应用的结果可靠性；再者，建立的模型可直接用于优化培养条件，帮助实现更接近生理的氧环境。

特别值得注意的是，研究揭示了hiPSC-CMs表现出的复杂氧动态，包括随时间变化的V_max
和间歇性氧波动，这些现象可能反映了细胞对非生理氧环境的适应性反应。未来研究需要进一步探索这些动态背后的分子机制，以及它们对细胞功能(如电生理特性)的具体影响。

从转化应用角度看，这项工作为心脏毒性测试、个性化医疗和心脏再生等领域的实验优化提供了直接指导。例如，在药物筛选中，通过调整培养液体积和细胞密度，可以模拟不同氧环境，更全面地评估药物在不同生理/病理条件下的效果。此外，建立的无标记监测方法可与电生理测量等技术联用，形成多参数评估平台。

这项研究的创新性在于将精确的实验测量与理论建模相结合，不仅揭示了HT培养体系中长期被忽视的氧动态问题，更为实现更可控、更生理的细胞培养环境提供了科学基础。随着hiPSC技术在研究和应用中日益广泛的应用，这项工作的重要性将进一步凸显，有望推动相关领域研究标准的提升和实验方案的优化。