《Experimental & Molecular Medicine》：Restoring anisotropy after myocardial injury: strategies to align transplanted human induced pluripotent stem-cell-derived cardiomyocytes
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人诱导多能干细胞来源心肌细胞（hiPSC-CMs）作为心脏再生的有前景细胞源，其治疗效力受限于移植后结构组织不良及电机械整合不完全。这些局限性的根本原因在于天然心肌高度各向异性（anisotropic）的架构与移植hiPSC-CMs无序构型之间的差异。在成体心
人诱导多能干细胞来源心肌细胞（hiPSC-CMs）作为心脏再生的有前景细胞源，其治疗效力受限于移植后结构组织不良及电机械整合不完全。这些局限性的根本原因在于天然心肌高度各向异性（anisotropic）的架构与移植hiPSC-CMs无序构型之间的差异。在成体心脏中，心肌细胞排列支配着定向电传导、协调收缩及有效力传递。相比之下，不成熟且排列不良的hiPSC-CM移植物表现出异质性耦联、减慢或各向同性（isotropic）传导以及功能整合降低。本综述聚焦于心肌细胞排列作为改善基于hiPSC-CM心脏细胞治疗电生理及再生结局的关键设计要求。研究人员总结施加或保留排列的生物工程策略，包括地形学引导、力学各向异性、电学条件化以及工程化组织和心脏补片等架构递送形式。研究人员进一步讨论排列如何影响细胞间连接组织、传导各向异性及移植物-宿主整合，并强调依赖未能捕获移植后定向电学行为的全局功能指标的局限性。总之，本综述认为通过工程化排列恢复心肌各向异性对于将hiPSC-CM不成熟性转化为功能性持久的心脏修复至关重要。
**引言**
人诱导多能干细胞来源心肌细胞（hiPSC-CMs）是心脏再生的有前景细胞源，因其可规模化生产且具备电兴奋和收缩所需的内在机制。尽管具有这些优势，移植hiPSC-CMs向损伤心肌的功能整合仍然有限，且心脏性能的持久改善在不同研究中不一致。细胞保留率低、肌节（sarcomere）组织不成熟及电机械行为不完整持续制约治疗效力并引发安全性担忧。
这些局限性的主要贡献因素在于移植心肌细胞与天然心脏高度各向异性结构之间的结构失配。成体心室心肌呈现明确组织，心肌细胞呈排列状态，支持定向电传导和有效力传递。相比之下，hiPSC-CMs在结构和功能上较成体心脏细胞呈不成熟表型，表现为细胞尺寸较小、缺乏横小管（T tubules）及收缩力弱。此外，干细胞治疗中的大多数hiPSC-CM递送策略以无序构型引入细胞，或为分散注射，或为具有微弱或不稳定结构提示的移植物。在此情况下，心肌细胞经历异常力学加载、碎片化细胞间接触及非生理性电激活，这些均可损害其存活、耦联和功能贡献。
**排列为何重要：从结构到电生理学**
心肌细胞排列指细胞及其收缩装置相对于共同轴的协调取向，重现天然心肌的各向异性组织。在hiPSC-CM移植物中，排列可在多个结构尺度上定义和量化。在单细胞水平，排列通过伸长细胞形态、取向的细胞核及平行的肌节组织体现。在组织水平，排列描述移植物内心肌细胞取向的相干程度，常用取向直方图、序参数（order parameters）或各向异性指数（anisotropy indices）量化。
排列不仅是结构描述符，更是心肌细胞行为的功能决定因素。在排列的hiPSC-CMs中，细胞间连接包括缝隙连接（gap junctions）和黏附连接（adherens junctions）优先沿细胞纵轴分布，支持定向电传播和协调兴奋。这种极化组织促进邻近细胞间有效去极化并促进组织同步激活。相反，无序心肌细胞常表现碎片化连接接触、减慢传导、移植物-宿主界面传导阻滞及激活离散度增加，这些均损害电相干性和稳定性。
**排列与各向异性的概念框架及层级定义**
心肌细胞排列和各向异性在心脏生物工程文献中频繁使用，但描述相关而不同的现象，发生于多个空间尺度。在单细胞水平，结构排列指个别心肌细胞相对于确定轴的取向，通常通过伸长细胞形态、核取向及肌节平行组织评估。然而，单细胞水平的结构排列不一定指示多细胞组织的协调组织。
在组织尺度，排列指细胞群体内心肌细胞的集体取向，常描述为结构相干性（structural coherence），通过组织序参数量化。常用方法包括源自核或肌节角的取向直方图、基于傅里叶的方向分析及向列序参数（nematic order parameters），其中值趋近1指示高度排列组织，值近0指示随机取向。功能各向异性描述心脏组织内方向依赖的电传播，由结构排列和细胞间耦联共同涌现。传导速度各向异性比（conduction velocity anisotropy ratio）定义为纵向传导速度与横向传导速度之比，在健康成体心肌中通常超过2:1。
**工程化排列移植心肌细胞的策略**
地形学引导提示是施加心肌细胞排列的最直接和可重复方法之一。微纳尺度特征如排列电纺纤维、沟槽、3D生物打印各向异性支架及图案化水凝胶表面提供各向异性物理特征，约束细胞骨架组织并促进伸长心肌细胞形态。在hiPSC-CMs中，工程化心脏组织内地形学排列通过沿确定轴约束细胞形态和细胞骨架张力，促进伸长形态、增加肌节长度、改善肌原纤维配准（myofibrillar registry）及细胞间连接蛋白的极化分布。这些架构约束转化为功能性收益，排列工程化组织表现更均一的钙瞬变、改善的兴奋-收缩耦联及增强的定向电传播。
然而，地形学引导策略的关键局限在于体内排列提示的持续性。纳米图案表面和微制造平台虽在体外一致促进hiPSC-CM伸长和肌节排列，但通常未解决移植后各向异性是否持续的问题。翻译导向的设计应不仅按培养中的"排列效率"评估，还应按"体内稳定性"评估，定义为在早期植入和重塑期间保留组织尺度取向相干性和定向传导的能力。
**力学各向异性与条件化**
力学提示在调节心肌细胞组织和成熟中起核心作用。工程化心脏组织整合力学条件化，如各向异性刚度、预拉伸基底、循环机械拉伸及定向约束的支架，可促进hiPSC-CM伸长、改善肌节成熟并通过促进确定轴上的优先细胞骨架张力强化定向组织。与纯地形学提示不同，力学各向异性直接影响调控肌节组装和连接形成的机械转导（mechanotransduction）通路。然而，力学条件化策略通常应用于体外培养，移植后难以复制，力学诱导排列在梗死心脏动态炎症环境中的持续性仍是未解问题。
**电学条件化与导电材料**
电活动既是心肌细胞组织的后果也是驱动因素。体外培养期间hiPSC-CM构建体的电起搏可同步兴奋、改善钙处理并促进细胞间连接如缝隙连接的成熟。导电生物材料如掺入碳纳米管和金纳米棒的补片和水凝胶可促进心肌细胞间电信号传播，降低组织间电阻，促进更协调的激活模式。然而，单独导电性不能重现天然心肌的各向异性传导，定向电传播仍取决于心肌细胞的底层结构组织。
**架构递送形式**
工程化组织、排列补片及束状心肌细胞构建体等递送策略将细胞组织为预形成的多细胞组装体，移植前即建立心肌细胞取向。心外膜递送排列构建体进一步允许取向与底层心肌纤维方向匹配，潜在改善移植物-宿主连续性。然而，许多工程化构建体产生单轴排列，而天然心室心肌表现跨心肌壁厚度旋转的层状纤维取向；此外，植入组织相对于宿主心肌的最优取向确定困难，尤其在慢性瘢痕心室中天然各向异性结构已被破坏。
**讨论**
尽管日益认识到心肌细胞排列的重要性，若干挑战限制其一致实施和评估。首先，量化排列的指标在各研究中高度不一致，包括定性图像检查、核取向角、肌节取向分布、基于傅里叶的分析及组织水平序参数等，不一致应用和报告使研究间直接比较困难，并模糊排列与功能结局的关系。
其次，电生理评估常依赖全局测量如平均传导速度或射血分数，未明确测试传导各向异性。这在细胞移植后尤其局限，因移植物引入结构和电学性质不同的空间异质性组织。无方向测量时，平均传导的改善可能掩盖局部传导减慢、阻滞或移植物-宿主不连续性。
这些考虑与心脏细胞疗法的重要安全性考虑密切相关，即hiPSC-CM移植后室性心律失常。临床前大型动物研究和首个人体试验报告移植hiPSC-CMs后室性心动过速发作，突出理解移植物结构如何影响电生理基质的重要性。结构紊乱可能通过空间异质性各向异性促进传导减慢或阻滞，增加异常电环路可能性；移植物-宿主界面的纤维取向或电耦联突变可进一步破坏波阵面传播。尽管排列单独不太可能消除这些风险，恢复受控各向异性可能促进更均匀可预测的波阵面传播，从而降低传导离散度并潜在改善工程移植物的电稳定性。
从生物工程角度，若干设计原则显现：排列提示必须足够强以在植入早期阶段持续；结构各向异性应与力学顺应性和电学支持整合而非单独应用；移植物相对于宿主心肌纤维的取向可能与移植物内排列本身同等重要。扩散张量磁共振成像（DT-MRI）等新兴成像方法可能帮助估计局部心肌取向并引导移植物放置。翻译挑战仍然存在，排列补片和工程化组织比可注射细胞悬液制造和植入更复杂，移植物厚度、血管化和免疫相容性进一步限制可扩展性。
**结论与未来方向**
心肌细胞排列是hiPSC-CM心脏治疗中电生理整合和再生性能的基本决定因素。施加或保留排列的生物工程策略已在结构组织和定向传导方面表现出持续改善，突出排列作为可操作设计参数。未来工作应优先三个领域：移植物-宿主界面工程必须确保纤维取向连续性以防止传导不连续；电生理评估应纳入各向异性感知指标以准确评估安全性和功能；需要可扩展且临床可行的递送形式以在植入期间和之后维持排列。通过将心肌细胞排列作为中心设计标准，领域可迈向不仅生成新心肌且恢复健康心脏结构和功能原则的心脏细胞治疗。
