快速起搏3D心脏类器官模型揭示心房颤动中线粒体功能障碍与纤维化的分子机制

本研究针对心房颤动(Afib)复杂的病理机制，通过构建3D快速起搏(3 Hz, 24 h)的人诱导多能干细胞源性心肌细胞(hiPSC-CMs)类器官模型，首次系统揭示了线粒体损伤（SDHA-D下降35-60%，PGC-1α降低48%）与促纤维化信号（AGTR1上调2.1倍，TGF-β1上调2.5倍）的协同作用机制。研究结合多组学分析与公共数据库验证(GSE128188，R=0.71)，证实该模型能精准模拟早期Afib的功能损伤与分子重塑，为靶向治疗开发提供了新范式。

　　

心房颤动(Afib)作为全球最普遍的持续性心律失常，影响着超过3300万患者，显著增加卒中与心力衰竭风险。尽管现有疗法能控制症状，但驱动疾病进展的分子机制仍不明确。特别值得注意的是，线粒体功能障碍与心房纤维化形成的恶性循环被认为是Afib恶化的核心环节，但二者在早期阶段的相互作用机制缺乏可靠模型。传统二维细胞模型和药物诱导的动物模型难以模拟人类心脏的复杂微环境，而临床样本多来自终末期患者，无法反映疾病起始过程。这一关键空白阻碍了针对性治疗策略的开发。

为解决这一难题，研究人员构建了基于人诱导多能干细胞源性心肌细胞(hiPSC-CMs)的三维心脏类器官模型，通过精确控制快速起搏条件(3 Hz, 24 h)模拟Afib的病理刺激。研究发现，电刺激导致类器官收缩功能显著恶化：峰值收缩幅度下降50%，收缩速度降低55%。多组学分析揭示线粒体复合体II所有亚基(SDHA-SDHD)表达下降35-60%，能量代谢核心调控因子PGC-1α减少48%，同时胞浆细胞色素C增加2.3倍。同步激活的促纤维化信号网络包括血管紧张素受体AGTR1上调2.1倍、转化生长因子TGF-β1上调2.5倍，驱动胶原蛋白I和α-SMA分别增加1.9倍和2.2倍。通过比对公共基因表达数据库(GSE128188)，证实该模型与人类Afib组织纤维化特征高度吻合(R=0.71)。这些发现发表于《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》，为理解Afib早期分子事件提供了全新视角。

关键技术方法包括：(1)采用两阶段分化方案将hiPSC分化为心肌细胞，并通过三维培养构建直径1200 μm的类器官；(2)使用C-PACE EP培养起搏系统施加3 Hz电刺激；(3)结合MUSCLEMOTION软件分析收缩动力学；(4)通过qRT-PCR、Western blot和免疫荧光检测线粒体及纤维化标志物；(5)整合GEO数据库中人类Afib样本(GSE128188)和HL-1细胞模型(GSE10598)进行转录组验证。

研究结果部分：
hiPSC-CM类器官形成：三维培养的类器官表现出更成熟的收缩同步性，心肌标志物MYH7、MYL2、Tnni3/Tnni1比值和缝隙连接蛋白CX43表达显著高于二维培养。

公共GEO数据分析：人类Afib组织与快速起搏模型的转录组比较显示，纤维化相关基因表达高度保守，但线粒体相关基因呈现模型特异性差异。

快速起搏类器官的功能与分子特征：电刺激导致MYH7和CX43表达下调，收缩参数全面恶化，证实模型成功模拟Afib的功能损伤。

线粒体响应评估：发现线粒体复合体II亚基(SDHA-SDHD)普遍下调，ATP合成相关基因(ATP5A1/ATP5B)减少，伴随PGC1α蛋白减少48%和细胞色素C释放增加。

心脏纤维化影响：尽管mRNA水平存在异质性(CTGF下降但MMP2上升)，但胶原蛋白I和α-SMA在蛋白水平均显著增加，免疫荧光证实明显的纤维化重塑。

讨论与结论指出，该研究首次在三维人类心脏模型中同步捕获了Afib早期的电机械功能障碍与分子重塑特征。特别重要的是，线粒体损伤与纤维化信号并非孤立事件——能量代谢紊乱通过氧化应激激活TGF-β通路，而细胞外基质沉积又进一步加重心肌细胞代谢负担，形成病理正反馈。研究建立的快速起搏类器官平台克服了传统模型的局限性：相比药物诱导模型能更精准模拟Afib的渐进性发展；较二维培养更好地保留了心肌组织结构和旁分泌网络；较动物模型更贴近人类心脏生物学特性。这些发现为开发针对线粒体-纤维化轴(mt-fibrosis axis)的靶向治疗提供了分子基础，例如通过调节PGC-1α活性或阻断AGTR1信号可能同时改善能量代谢和纤维化进程。未来研究可进一步优化起搏参数以模拟不同Afib亚型，并利用该平台进行高通量药物筛选。这项工作标志着心脏疾病建模从传统电生理研究向整合多组学分析的范式转变，为理解复杂心脏病机制树立了新标准。