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心血管疾病（CVD）是全球重大公共卫生负担。传统研究模型由于物种差异等局限性，难以满足阐明疾病机制和推进药物研发的需求。心脏类器官（cardiac organoids）凭借其高生理保真度，已成为替代模型。心脏类器官在模拟心肌梗死（MI）、心力衰竭（HF）和心肌
心血管疾病（CVD）是全球重大公共卫生负担。传统研究模型由于物种差异等局限性，难以满足阐明疾病机制和推进药物研发的需求。心脏类器官（cardiac organoids）凭借其高生理保真度，已成为替代模型。心脏类器官在模拟心肌梗死（MI）、心力衰竭（HF）和心肌病等多种疾病方面展现出独特价值，并广泛应用于药物毒性评估和再生医学研究。人工智能（AI）技术与心脏类器官的融合，实现了类器官构建优化和多维监测分析的智能化升级，显著提升了研究效率和精度。本综述总结了心脏类器官在CVD研究中的应用进展，并概述了其在精准医疗和药物发现中的发展前景。
心脏类器官的多重应用
引言
心血管疾病（CVD）是全球死亡和致残的主要原因，也是全球公共卫生负担的主要贡献者。尽管科学家持续努力以了解CVD复杂的病理生理机制并开发创新药物，但CVD发病率每年仍在上升。迄今为止，药物研发主要依赖传统动物模型。在开始首次人体临床试验之前，药物的安全性和有效性需在动物受试者中进行严格测试。然而，动物与人类在生理和病理环境上存在显著差异，严重影响了CVD药物研发的成果和临床试验的进展。心脏类器官提供了更接近人类生理的模型，能够更准确地评估和预测药物效应及毒性。在诱导多能干细胞（iPSCs）和类器官技术的双重驱动下，心血管疾病的建模出现了新途径。研究人员现在可以使用类器官密切观察人类生理变化、测试药物功能并在实验室规模开发再生疗法。与传统二维培养模型相比，类器官是一项创新技术，能够概括整个生物体的生理过程。类器官模型在组成和行为上与生理细胞具有更高相似性，基因组更稳定，并对生物转染和高通量筛选表现出更强的适应性。与动物模型相比，类器官模型提供了一种更符合伦理的方法，使我们能够更好地探索CVD发病机制并开发更有效的治疗药物。因此，类器官在疾病建模、药物毒性测试和相关领域具有众多潜在应用。同时，人工智能（AI）技术在干细胞治疗、再生医学和药物开发中的应用取得了显著进展。AI已成为医学计算中计算和计算机研究不可或缺的组成部分，带来了诸多优势，包括比传统医学研究方法更高效地获得结果。AI与类器官技术的结合推动了类器官研究的新一轮智能化发展。特别是机器学习算法的出现彻底改变了科学研究与开发。这些算法能够精确评估类器官的动态变化，高效进行多尺度图像分析和快速解读多组学数据，从而为类器官研究赋能。本综述概述了人类心血管类器官在多个领域的应用，包括心脏类器官病理模型的建立、心脏类器官在药物毒性评估中的使用以及AI在心脏类器官监测中的应用。此外，还讨论了必须解决的潜在挑战和局限性，以进一步推进和扩展心脏血管类器官在CVD研究中的应用。
构建心脏类器官的病理模型
类器官模型的出现显著缩小了传统细胞培养/动物模型与实际人类疾病状态之间的差距。心脏类器官表现出更接近患者的生理结构、器官特异性功能和其他独特特征。近年来，研究人员开始利用源自人诱导多能干细胞（hiPSCs）、人胚胎干细胞（hESCs）、原代心脏细胞或多细胞共培养系统的心血管类器官，重现心脏和血管的体内特定特征，从而模拟各种心血管疾病。这些疾病包括心肌梗死（MI）和缺血再灌注损伤（I/R injury）、心力衰竭（HF）、心肌病、心律失常和先天性心脏病（CHD）。
MI和I/R损伤在心脏类器官中
MI是最常见的CVD之一，也是全球主要死因。在MI期间，心肌血流减少或阻塞导致氧气和营养物质缺乏，代谢废物在组织中积聚，引起心肌细胞损伤和死亡。虽然小鼠和大鼠MI模型被广泛使用，但小鼠和人类细胞在组织、细胞水平存在生理差异，例如离子通道的差异。多能干细胞分化和组织工程的进步促进了心脏类器官的发展，为修复MI引起的心脏损伤提供了关键模型。Voges及其同事使用hESCs在圆形模具中开发了心脏类器官，通过诱导冷损伤成功模拟急性MI，观察到损伤4小时后培养基中乳酸脱氢酶（LDH）和心肌肌钙蛋白I（cTnI）水平较未损伤对照组升高三倍。Richards等人通过将人iPSC来源的心肌细胞（hiPSC-CMs）与非心肌细胞按比例混合构建了心脏类器官，并通过施加不同的氧扩散梯度和慢性去甲肾上腺素刺激模拟了人类心脏的结构变化。他们通过模拟梗死、边缘区和远端区域建立了人类梗死心脏结构，并在转录组、结构和功能水平上扩展了MI的一般特征。通过构建模拟MI的类器官，一个研究团队发现心脏成纤维细胞在心肌缺血缺氧条件下促进肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等炎症介质的释放，从而影响邻近CM的存活，这可能为治疗MI后炎症和纤维化提供新的治疗靶点。恢复MI后心肌功能最有效的临床实践是及时再灌注。然而，再灌注也会引发一系列病理生理反应，称为“I/R损伤”。心脏类器官也可应用于I/R模型研究。Zhang等人从hiPSCs开发心室心脏类器官，通过抑制视黄酸信号通路实现心室特异性分化，结合缺氧/复氧处理成功模拟心肌I/R损伤。受损的心室类器官释放出增加的丙二醛和LDH水平，同时超氧化物歧化酶表达降低。成纤维细胞活化蛋白和血管内皮细胞膜蛋白的显著共定位表明该模型再现了细胞凋亡和氧化应激等关键病理特征。
HF在心脏类器官中
HF被认为是一种复杂疾病，主要特征是心肌细胞结构和调节功能受损，导致多种心血管病变，使心脏无法维持足够的心输出量以代偿正常代谢需求和静脉回流。Ding及其同事构建了源自hiPSCs的心脏类器官，将类器官置于缺氧24小时，建立了HF模型。通过形态学评估以及细胞活力、LDH、心肌肌钙蛋白T（cTnT）和N末端B型利钠肽原的测量验证了模型成功建立。该模型用于阐明成纤维细胞异质性和心肌纤维化机制。高血压、糖尿病和肥胖是导致HF的常见因素。Haim等人开发了射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）类器官模型。为了模拟肥胖相关炎症，在培养基中补充了炎性细胞因子：10 ng/mL IL-1β和100 ng/mL IFN-γ。糖尿病采用高浓度葡萄糖（11.1 mmol/L）联合胰岛素剥夺模拟。高血压采用10 ng/mL血管紧张素II和10 ng/mL内皮素-1模拟。暴露于这些条件7天后，类器官成功模拟了高血压、糖尿病和肥胖相关炎症等多种合并症，表现为活性氧水平升高和能量状态受损，成功再现了该疾病的复杂病理特征。一名研究人员通过用10 nM ET-1处理hiPSC来源的类器官24小时建立了HF模型。这些类器官表现出HF标志物A型利钠肽、B型利钠肽和Actin Alpha 1的表达显著上调，以及收缩功能明显受损。微RNAs（miRNAs）在调节各种CVD中的作用已被广泛研究。Wu等人使用hiPSCs构建心脏类器官，然后用液氮预冷的无菌注射针头接触心脏类器官3秒，模拟HF中的心肌纤维化。通过该模型，他们探索了miRNAs在心肌纤维化中的治疗作用。因此，体外用类器官构建的HF模型可以再现衰竭心脏的特征，有助于研究人员研究HF的发病机制和治疗方案。
心肌病在心脏类器官中
心肌病是HF无继发性病因（如高血压或瓣膜病）的一类心脏病，其起源可能是遗传性或非遗传性的。其特征是心脏机械和电活动异常，导致不适当的心室肥厚或扩张。肥厚型心肌病（HCM）是HF和心源性猝死的主要原因。早期HCM动物模型主要依赖小鼠，但显著的物种差异无法完全复制人类HCM。在过去的二十年中，基于干细胞的模型（ESC-CM、hiPSC-CM）研究迅速增加。关于心脏类器官的研究表明，修饰机械应力可以控制工程化人类CM的肥大和结构。这促进了HCM新疗法的探索。Buono等人使用hiPSC-CMs、原代人心脏微血管内皮细胞（HCMECs）和原代人心脏成纤维细胞（HCFs），通过改良的悬挂滴法利用Terasaki板产生了高收缩性心脏类器官。比较显示，来自HCM患者细胞的心脏类器官与健康个体细胞培养的类器官在结构和搏动行为上存在显著差异。Kiselev团队使用来自50% HCM-hiPSCs的CMs与非CMs（成纤维细胞、内皮细胞和脂肪来源的干细胞）开发了HCM心脏类器官。他们系统评估了肌节结构、收缩功能、钙处理、cMyBP-C磷酸化和线粒体功能的改变，成功在三维（3D）多细胞环境中再现了HCM相关的超收缩和氧化应激表型。扩张型心肌病（DCM）的特征是左心室扩大和功能障碍，独立于冠状动脉疾病发生。值得注意的是，大约三分之一的晚期DCM患者出现壁内间质纤维化。Hata等人使用人类iPSC来源的心室CMs和心外膜细胞构建类器官，然后将这些类器官暴露于包括异丙肾上腺素（ISO）和缺氧在内的病理刺激。他们观察到心脏类器官中纤连蛋白1（FN1）、转化生长因子β1（TGFB1）和Tenascin C等纤维化相关基因表达显著增加，模拟了DCM中观察到的心肌纤维化。肌钙蛋白T（cTnT）的突变改变可诱发扩张型心肌病。Ye及其同事利用患者特异性hiPSC-CMs在体外模拟cTnT序列变异相关的DCM。他们不仅在类器官中观察到明显的肌源性破坏，还在心脏类器官中复制了临床显著的DCM表现，包括纤维化和收缩功能障碍。杜氏肌营养不良（DMD）是最常见的肌营养不良形式之一。它是一种由DMD基因突变引起的进行性X连锁遗传性疾病，导致抗肌萎缩蛋白完全缺失。但其发展的潜在机制仍不清楚，现有的细胞和动物模型未能完全复制人类DMD心肌病的表型特征。基于此，Marini和Scott等人成功开发了源自患者iPSCs的心脏类器官。这些DMD-心脏类器官表现出DMD相关心肌病的特点，使研究人员能够在长期培养中研究DMD相关心肌病的进展。Marini及其同事开发的DMD-心脏类器官模型可观察心肌细胞变性、纤维化和异常脂肪形成。Scott成功模拟了由外显子46-53缺失引起的抗肌萎缩蛋白缺失和相关心肌病。递送反义寡核苷酸（ASO）后，他证实了源自DMD患者细胞的心脏类器官中疾病相关表型的逆转。糖尿病心肌病代表了一种独立于冠状动脉疾病或高血压发生的结构性异常和心肌功能损害，已成为糖尿病患者HF的主要原因。此前，研究人员试图构建人类iPS-心脏类器官来模拟糖尿病心肌病。他们通过在高糖或高脂培养基中培养来自糖尿病患者的hiPSC-CMs、成纤维细胞和内皮细胞来实现。这模拟了模拟糖尿病功能障碍的应激条件，诱导了关键的病变相关特征：胰岛素抵抗、代谢转变、脂毒性和心功能改变。Wang等人也采用高糖/高脂饮食模拟糖尿病病理环境。心脏类器官表现出与临床糖尿病心肌病高度一致的特征，包括心肌细胞凋亡、线粒体功能障碍和纤维化炎症反应。值得注意的是，该模型揭示了葡萄糖对心脏的双向调节作用：低浓度时具有保护作用，高浓度时具有毒性作用。这一发现在传统动物模型中难以明确验证。心脏类器官也为研究与年龄相关的心肌病变提供了创新方法。值得注意的是，与传统衰老模型相比，类器官更好地模拟了人类特异性衰老特征，包括氧化应激、DNA损伤和细胞衰老等关键表型。Scalise等人证明，在心脏类器官形成后22天连续两天给予0.5 μM阿霉素（DOX）治疗，短期暴露于DOX可在人类心脏类器官中诱导老年性心肌病表型。
心律失常在心脏类器官中
心律失常定义为心脏冲动频率、节律、起源、传导速度或兴奋顺序的异常，在各种心脏病和神经疾病中普遍存在。它位居全球主要死因之列，占所有死亡人数的10%至15%。心脏类器官的应用已扩展到结构性心律失常的建模。这些类器官产生自发和诱发的动作电位，表现出比二维模型更高的传导速度。短QT综合征（SQTS）是一种罕见的原发性心律失常疾病，被归类为室性心律失常（VA），会增加心脏相关死亡风险。Shinnawi等人率先将hiPSC-CMs接种到三维宏观结构中，形成5毫米的心脏细胞片。这种简单的类器官结构使细胞能够形成功能性合胞体，实现均匀的动作电位传导。来自SQTS患者hiPSC-CMs的心脏细胞层表现出较短的组织波长，并在电刺激后产生持续的折返性心律失常，表现为螺旋波。这为阐明病理性QT间期缩短的机制提供了新的视角。心房颤动（AF）是最常见的心律失常，其特征是快速和不规则的电活动。NOD样受体家族pyrin结构域包含蛋白3（NLRP3）炎症小体激活现被认为是心律失常发展的核心驱动因素，也是AF的潜在治疗靶点。研究人员开发了一种新型人心-巨噬细胞组装体（hHMA）模型，通过将hiPSC来源的原始单核细胞整合到心脏类器官中，成功模拟了免疫-心脏相互作用和心律失常疾病机制。他们发现，在脂多糖、白细胞介素-1β（IL-1β）和干扰素-γ（IFN-γ）等促炎因子的影响下，hHMA中的组织驻留巨噬细胞（TRMPs）可以激活NLRP3炎症小体，从而诱导AF样表型，其特征为不规则电活动、早后除极和迟后除极。该模型首次在体外再现了炎症驱动的AF机制，为炎症相关心律失常的病理机制和治疗靶点研究开辟了新途径。
CHD在心脏类器官中
CHD的特征是心脏瓣膜、血管壁或血管先天性畸形，是最常见的先天性缺陷类型。其病理生理机制尚不完全清楚。近年来，患者特异性iPSC来源的心脏类器官为研究CHD提供了独特平台。Lewis-Israel及其同事开发了高通量人类心脏类器官模型。通过调节培养系统中的葡萄糖浓度和胰岛素水平，该团队成功建立了与妊娠期糖尿病相关的人类心脏类器官模型，模拟了妊娠期糖尿病诱导先天性心脏缺陷的病理过程。此外，Volmert开发了主要由心房祖细胞组成的类器官模型。使用该模型，他们分析了携带与NKX2-5相关的Ebstein畸形相关的遗传变异纯合子系的类器官细胞，成功再现了该病症特征性的心室化缺损。Li等人通过诱导hESCs分化为三维心脏类器官模拟心脏发育缺陷。这些类器官表现出心脏体积减小、心内膜细胞减少和室间隔缺损（VSD）等表型，与CHD患者观察到的病理特征高度对应。与斑马鱼等传统动物模型相比，心脏类器官在研究上具有独特优势。它们不仅能更直观地展示心脏发育过程中的独特特征，还便于监测和干预基因表达及细胞产物。通过心脏类器官，以前难以捉摸的胚胎心脏发育阶段变得清晰可见。这不仅使研究人员能够更深入地探究心脏发育的核心机制，还能精确识别推动疾病进展的关键点。在此基础上，可以进一步开发针对心脏疾病的高效干预和个性化治疗，从而为降低心脏病发病率提供有力支持。
心脏类器官的药物毒性评估
心脏毒性定义为化学物质对心脏的有害影响，是环境健康和药物安全的重要关注点。心脏毒性和药物安全性是临床用药的主要考虑因素。1950年至2017年间，61种药物因使用者出现突发性心肌毒性而被撤出市场，直接揭示了传统临床前模型的局限性。动物研究难以准确复制人类心脏生理学，临床试验缺乏足够的遗传多样性。由于难以获得用于大规模心脏毒性筛选的细胞，原代人CMs的使用仍然有限。因此，推进人类心脏体外模型（如类器官）是实现患者特异性心脏毒性预测的变革性方法。与传统的二维（2D）培养相比，3D心脏类器官对DOX的功能毒性（如搏动频率的改变）表现出更高的敏感性。DOX是一种小分子蒽环类药物，用于治疗多种癌症类型，是乳腺癌和白血病治疗的基石。然而，在治疗过程中，DOX渗入心脏，产生活性氧，导致DNA和线粒体损伤，同时抑制拓扑异构酶，引起转录改变和细胞凋亡。随后导致心室扩张、心脏功能障碍进展，最终导致HF。Harihara等人建立了具有病理相关性的三维心脏类器官，在培养7天后表现出稳定的尺寸模式（20KOrg）等最佳特征。这些类器官高度表达心脏成熟标志物，同时纤维化倾向最小。在20kOrg大小的类器官暴露于DOX 48小时后，3D类器官功能毒性的半最大抑制浓度（IC50）为0.84 μM，显著低于2D模型中观察到的2.41 μM。3D模型的选择性指数（SI）比2D模型高出一个数量级，表明类器官对功能异常具有更优的预测能力。Chen及其同事也使用人胚胎干细胞系H9建立了模拟早期胚胎发育的心脏类器官。他们选择DOX诱导类器官的心脏毒性。经过一系列DOX浓度处理后，类器官的外缘开始断裂，并随着药物浓度增加而逐渐扩大。心脏类器官培养基中的LDH水平也升高。为了研究如何减轻DOX的心脏毒性作用，一个研究团队利用hiPSC来源的类器官模型，发现单蛋白HSA包被的DOX（SPEDOX-6）在hiPSC-CMs中将核积累减少了50%，同时保持了更高的细胞活力。使用与hiPSC-CMs、hiPSC-ECs和hiPSC-CFs共培养的3D模型（hiPSC-CS），他们发现SPEDOX-6治疗后，心脏类器官培养基中的LDH水平以及钙瞬变幅度和收缩力更接近对照组。这表明蛋白质包被的DOX（SPEDOX-6）表现出降低的心脏毒性。有趣的是，一个结合了氧扩散梯度并由神经递质去甲肾上腺素刺激的心脏类器官模型，在MI后接受DOX治疗时发现，心脏损伤加剧了DOX的心血管毒性。
他克莫司是一种强效钙调磷酸酶抑制剂，西罗莫司属于免疫抑制剂，被广泛认为是维持性免疫治疗的关键药物。Yu等人建立了iPSC来源的多谱系心脏类器官平台来评估他克莫司和西罗莫司的毒性作用，发现他克莫司和西罗莫司在心脏类器官中逆转了p38-MAPK抑制的心脏抗纤维化特性。大量研究表明，尾加压素II（UT-II）可能参与心血管重塑，促进心肌肥厚、氧化应激和细胞凋亡。Wang等人利用hiPSCs开发了多细胞人类心脏类器官模型。他们发现UT-II显著增加心脏类器官中Ca2+瞬变频率，通过钙超载破坏心肌收缩节律。RNA测序分析揭示UT-II上调细胞外基质（ECM）组织（例如胶原合成）、PI3K-Akt和Ras信号通路，促进纤维化和肥厚相关基因的表达。这项研究揭示了UT-II诱导的药物性心脏毒性，其分子动力学与心脏患者中观察到的相似。目前，hiPSCs的可扩展性使得人类CMs、内皮细胞和心脏成纤维细胞的大规模生产成为可能，为高通量药物毒性筛选奠定了基础，同时减少了对动物模型的依赖。
心脏类器官在再生医学和移植中的应用
再生医学旨在替换因疾病或衰老而受损的人类细胞、组织或器官，恢复其正常功能。许多心血管疾病在后期会进展为HF，终末期缺血性HF仍是全球发病和死亡的主要原因。这主要是由于成人心脏有限的再生能力，因为人类CMs是永久细胞，年更新率约为1%。心脏移植仍然是终末期HF患者的首选治疗方案。然而，在实践中，严重的供体短缺和强烈的术后免疫排斥反应限制了其可用性，难以满足临床需求。因此，在过去二十年中，基于干细胞的治疗已被广泛研究用于治疗心脏病。类器官具有自我更新能力，适合重复测试和长期研究，这是再生医学应用的关键优势。
心脏类器官在MI模型中的作用
几年前，一个研究团队使用hiPSCs将其重编程为心脏成纤维细胞，然后诱导其分化为CMs、平滑肌细胞（SMCs）和内皮细胞（ECs）。通过动态培养和纤维蛋白支架，他们构建了人类心肌补片（hCMP）。当植入患有MI的猪体内时，该补片不仅提高了细胞存活率，还增强了心脏功能并减少了移植后的梗死面积。然而，这种补片-细胞组件表现出低血管化效率，培养系统缺乏电或机械刺激等多模态刺激，并且用作支架材料的纤维蛋白未优化。它缺乏类器官中存在的自组织能力和器官特异性微结构（如血管系统和管腔）。为了克服这些限制，研究人员已开始将心脏类器官应用于MI模型修复研究。一个研究团队使用hESCs构建心脏类器官，并研究了未成熟心脏组织对损伤的反应性再生能力。他们发现，该器官模型组织在冷损伤后的修复过程未表现出病理性纤维化或心肌细胞肥大，类器官的收缩功能在两周内完全恢复。与新生心脏一致，心肌细胞增殖率高，这可能与hESCs的再生能力有关。在心脏组织工程领域，导电纳米材料被广泛用于增强支架的导电性并改善工程化心脏组织的收缩功能。Tan及其同事使用导电硅纳米线与hPSC来源的CMs和支持细胞结合构建纳米线心脏类器官。这些工程类器官在体外表现出增强的起搏能力和缺血耐受性。当移植到患有心肌I/R损伤的大鼠心脏时，纳米线心脏类器官显著促进了移植细胞的收缩发育，加速了移植物的血管化，有效恢复了心脏功能，并减少了左心室不良重塑。与传统的分离细胞移植相比，该策略实现了优异的修复结果，同时将所需细胞剂量减少了20倍，展示了导电纳米材料和心脏类器官在高效心脏再生治疗中的协同作用。Silver团队使用CRISPR-Cas9技术设计了低免疫原性的人多能干细胞（敲除B2M并引入HLA-E/G），这些细胞可分化为CMs并自组装成心脏类器官。这些类器官在体外抵抗了T细胞和NK细胞的攻击。成功移植到梗死大鼠心脏后，它们有效恢复了收缩功能，并在人源化小鼠中表现出优异的移植物保留和免疫逃避能力。基质的机械特性在构建功能性血管网络中起着关键作用。一个研究团队已成功通过调节基质粘弹性，将血管类器官封装在动态水凝胶中，诱导其分化为含有平滑肌细胞的小动脉。体内移植后，这些血管类器官与动态水凝胶的复合物有效促进了梗死心脏的小动脉重塑，并显著恢复了心脏功能。这为缺血性心脏病的再生治疗提供了新方法。
心脏类器官在CHD模型中的作用
为了解决CHD，Kawai等人使用hiPSC-CMs、HUVECs和成纤维细胞构建了hiPSC心脏类器官。他们基于这些hiPSC心脏类器官使用3D打印制造了无支架管状工程心脏组织（T-EHTs），并将其移植到小鼠的主动脉、下腔静脉周围和背部皮下。结果显示，T-EHT植入后最早1分钟即可观察到搏动，表明hiPSC心脏类器官表现出优异的心肌生成和血管生成能力。Varzideh团队也使用hESC来源的心脏祖细胞（CPCs）构建自组织心脏类器官，随后将其异种移植到小鼠体内并发育为成熟的CMs。观察发现，与常规培养的CMs组相比，心脏类器官组表现出编码收缩装置和兴奋-收缩偶联机制的基因更高表达水平。腹腔内植入心脏类器官可诱导新生血管形成。因此，心脏类器官凭借其自组织能力、多细胞组成和工程化潜力，正在克服传统干细胞治疗和心脏补片技术的局限性，在修复受损心肌方面展现出巨大潜力。尽管在成熟度、可扩展性和长期安全性方面仍存在挑战，但心脏类器官作为连接基础研究和临床转化的桥梁，有望在未来实现个性化、低免疫原性、“现成”的心脏再生和修复，为终末期HF和复杂先天性心脏缺陷患者带来新希望。
AI赋能的心脏类器官监测
监测心脏类器官参数需要建立一个涵盖从微观到宏观多层次的综合功能评估体系。在结构层面，基本指标包括心室壁厚度、肌节排列规则性和细胞间连接完整性。功能评估必须检查收缩特性、力-频率关系、电传导速度和钙处理能力。代谢成熟度可通过氧化磷酸化水平和脂肪酸利用效率进行评估。分子标志物如肌钙蛋白I亚型转换和离子通道表达谱的变化同样至关重要。因此，类器官的高度复杂性和动态性使得传统的单点、侵入式或手动监测方法无法满足高通量和精确功能评估的需求。AI的整合，特别是以机器学习和深度学习为代表的方法，使算法能够从数据中迭代学习。这有助于自动决策和预测，同时处理多维信息。此外，AI算法可以被训练用于类器官图像分析，从而实现快速准确的类器官结构和功能评估。
心脏类器官的功能分析在很大程度上依赖于高精度电生理和成像技术。外部多电极阵列（MEA）已成为监测电活动的核心工具，因为它能够通过由59至64个电极组成的8×8阵列实现高时空分辨率记录。从MEA信号中可以提取一维电生理生物标志物，如搏动间期、R-S峰值幅度、最大斜率、峰-峰持续时间和场电位持续时间。这些指标为药物暴露或心脏遗传疾病引起的电生理变化提供了重要见解。然而，现有工具主要局限于一维分析或有限的二维能力，无法全面反映类器官内的复杂节律动态。AI技术的进步为克服这一瓶颈提供了新可能。AI图像分析可以从海量图像数据集中自动客观地提取多维特征，包括细胞形态、动态行为、组织结构以及标志物表达，为类器官质量评估提供高通量、定量解决方案。同时，整合AI与实时电生理信号的闭环调节系统可以动态优化类器官功能。在MEA分析领域，Ido等人开发的PhysioMEA将传统波形信号转换为可量化的空间图和节律动态指标。这使得电波传播和恢复过程中的空间不一致性和时间稳定性得以精确表征，显著增强了疾病模型评估、药物安全性测试和起搏研究的深度。
明场/相差显微镜因其简便性被广泛用于心脏类器官分化和形态的常规观察，但难以揭示CMs和ECs等心血管特异性细胞类型的空间分布。传统荧光显微镜能够实现细胞类型识别，但通量有限且工作流程耗时，阻碍了大规模应用。因此，AI在显微图像分析中的应用引起了极大关注。传统的机器学习方法依赖于参考图像和目标图像之间的相似性，泛化能力有限。相反，深度学习，特别是卷积神经网络，能够进行特征自学习，在图像着色任务中表现出更好的性能。提出的生成式AI系统，以条件生成对抗网络（cGANs）和Pix2Pix GANs为代表，已成功实现从明场到荧光图像的映射。最新的生成式AI系统还利用cGANs对显微镜下的心脏类器官相差图像进行着色，生成心血管细胞类型特异性的荧光图像。这实现了PSNR>30和SSIM>0.92的高精度着色，能够对体内培养期间的心脏类器官进行无标记、动态的细胞类型定量分析。
炎症已被证明是心血管疾病进展的关键因素。在肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、IFN-γ和IL-1β等介质的影响下，它会导致严重的心脏功能障碍和损伤。迄今为止，还没有简单、系统的方法来定量评估心脏类器官中的炎症水平。AI的出现推动了炎症监测技术的发展。最近，Lin等人构建了人类心脏炎症类器官，并开发了基于AI的该模型炎症水平定量评估方法。AI放射组学系统从广泛的类器官明场视频中提取多维特征，包括形态纹理和收缩节律。通过构建XGBoost分类器链模型，它识别出10个关键的炎症相关特征，并建立这些特征与炎症水平之间的相关性，实现对类器官炎症的无创动态评估。总体而言，AI正在推动心脏类器官监测超越传统的一维信号分析，迈向多维、时空和无标记的智能评估系统。这一进展在疾病建模、药物毒性筛选和功能调节中释放了前所未有的潜力。
当前的局限性和未来展望
尽管心脏类器官技术取得了显著进展，并在心血管疾病建模、药物毒性筛选和再生医学中得到广泛应用，但在实现完全临床转化和实验室规模应用之前，仍有几个关键局限性需要解决。一个核心挑战在于hiPSC来源的心脏类器官表型不成熟。大多数现有的心脏类器官在结构、功能和遗传特征上更类似于胎儿CMs而非成人CMs。这种不成熟在电生理特性、钙处理和收缩功能中尤为明显，严重损害了评估成人发病心血管疾病（如慢性HF和年龄相关性心肌病）的准确性以及预测药物诱导心律失常的可靠性。大多数现有类器官模型缺乏功能性微循环系统，导致大体积类器官内部出现氧气和营养物质梯度，从而形成坏死核心。此外，心血管疾病（如心肌炎和梗死后修复）中循环免疫细胞和常驻免疫细胞之间的复杂相互作用在简化模型中仍难以完全复制。类器官的自组装过程表现出随机性，导致尺寸、形状和细胞比例的批次间差异显著。虽然AI已经实现了类器官的动态监测，但许多深度学习模型尽管在图像处理和多组学分析中具有高准确性，却缺乏生物学可解释性。此外，类器官研究产生的多模态数据（电生理、成像、组学）缺乏标准化存储库，这在跨实验室验证AI模型时带来了泛化风险。未来的心脏类器官有望通过微流控技术与肝脏、肾脏或肠道类器官整合，模拟药物吸收、代谢和脱靶心脏毒性（如肝脏代谢后的继发性心脏毒性），以构建更逼真的人体全身反应模型。利用4D生物打印（时间响应智能材料）和结合电脉冲与机械拉伸的AI辅助闭环反馈系统，可以诱导类器官进一步成熟。这一过程增强其生理功能，使其更接近于成人心脏，最终为终末期心血管疾病提供新颖的治疗策略。
