电子烟与传统香烟对心肌细胞转录组及生理功能的双重毒性效应研究

本研究针对电子烟(ECE)与传统香烟(CSE)对心血管健康的潜在危害，通过人诱导多能干细胞来源心肌细胞(iPS-CMs)模型，结合多电极阵列(MEA)和MuscleMotion技术，首次系统比较了两者对心肌电生理、收缩功能及心力衰竭相关基因表达的影响。研究发现ECE与CSE均显著延长动作电位时程(APD90)、降低收缩力，并差异调控钙处理基因(SERCA2、RYR2)和肌节蛋白基因(MYH7、TNNI3)，揭示两者通过表观遗传调控(DNMT3A/B激活)引发相似病理改变，为电子烟安全性评估提供了重要实验依据。

随着电子烟(Electronic Nicotine Delivery Systems, ENDS)在青少年中的流行率飙升，其"比传统香烟更安全"的公众认知与潜在健康风险间的矛盾日益凸显。尤其令人担忧的是，心血管疾病作为吸烟相关死亡的首要原因，电子烟对其影响机制却近乎空白。传统研究受限于伦理、样本获取和动物模型转化性等问题，而人诱导多能干细胞来源心肌细胞(iPS-CMs)技术的成熟，为破解这一难题提供了新思路。

美国内布拉斯加大学医学中心的研究团队在《BMC Cardiovascular Disorders》发表的研究中，首次采用多学科交叉策略，通过多电极阵列(MEA)电生理记录、高精度视频收缩分析(MuscleMotion)和数字化mRNA检测(Nanostring)三大技术，系统解析了电子烟提取物(ECE)与传统香烟提取物(CSE)对iPS-CMs的多维度毒性效应。研究特别关注2.5%暴露浓度下48小时内的心肌功能与基因表达变化，并设置钾通道阻滞剂E4031作为阳性对照。

关键技术方法包括：1) 使用商业化iCell Cardiomyocytes^°构建体外模型；2) MEA平台同步监测场电位持续时间(FPD)和校正FPD(FPDc)；3) 开源算法MuscleMotion量化收缩参数；4) 靶向127个心衰相关基因的Nanostring panel进行转录组分析；5) 采用Limma包进行差异表达基因筛选，结合Ingenuity Pathway Analysis(IPA)解析通路机制。

生理功能改变
通过MEA检测发现，ECE与CSE均显著延长90%复极动作电位时程(APD₉₀)，分别达2.34s和2.42s，远超对照组0.71s。Fridericia校正的FPDc在CSE组变化更显著(13% vs ECE组8%)，提示传统香烟对电活动干扰更强。

收缩动力学异常
MuscleMotion分析显示，两组均导致收缩时间参数显著延长：峰值时间(ECE 487±44ms vs CSE 373±21ms vs对照312±8ms)、舒张时间(762±89ms vs 773±26ms vs 440±21ms)和峰峰间隔(2624±304ms vs 2388±29ms vs 1635±82ms)，且搏动频率降低35%-42%。

转录组重编程
Nanostring数据揭示：

• ECE组：25/33个差异基因在发现/验证阶段显著，涉及肌球蛋白重链_α(MYH6)上调和兰尼碱受体(RYR2)下调
• CSE组：53/40个差异基因显著，显著抑制肌节蛋白(MYH7、TNNI3、TNNT2)和钙ATP酶(SERCA2)表达
• 共性改变：DNA甲基转移酶3A/B(DNMT3A/B)通路激活(z-score>2.0)，与致心律失常性右室心肌病相关

讨论与意义
该研究突破性地证实：1) 电子烟与传统香烟对心肌生理功能的损害程度相当；2) 两者通过表观遗传调控诱发相似的钙处理障碍和肌节结构异常；3) iPS-CMs模型能有效模拟吸烟相关心功能障碍。特别值得注意的是，ECE虽含较少燃烧产物，但其气溶胶中的重金属和香料添加剂可能通过DNMT3A/B介导的甲基化修饰导致持久性基因表达改变。这些发现为临床警示电子烟危害提供了分子证据，建立的整合生理-转录组分析平台，也为快速评估新型烟草制品毒性提供了标准化方案。未来需扩大基因检测范围，并探索不同尼古丁传递系统间的毒性差异。