综述：心血管研究中的心脏微生理系统：构建范式、成熟轨迹与转化前沿

《Bioengineering & Translational Medicine》：Cardiac microphysiological systems in cardiovascular research: Construction paradigms, maturation trajectories, and translational frontiers

　　

心血管疾病仍是全球死亡的主要原因，然而传统的临床前模型无法准确捕捉人类心脏的生理和遗传复杂性，阻碍了靶向疗法的开发。心脏微生理系统（cardiac MPS），包括自组织人类心脏类器官（COs）和工程化心脏组织模型，已成为重现心脏发育、组织结构和功能特定方面的有前景的人源相关平台。本综述通过系统比较两种主要构建策略，评估了当前构建这些心脏微生理系统的方法：基于内在干细胞程序的发育驱动型自组织，以及由生物活性材料、三维生物打印和微流体技术支持的工程驱动型组装。为解决限制转化应用的关键瓶颈，研究人员概述了一个多维成熟度评估框架，涵盖肌节超微结构组织、电机械耦联保真度以及向脂肪酸β-氧化代谢重编程。此外，研究人员讨论了心脏微生理系统在阐明早期心脏发生、模拟复杂遗传性和缺血性心血管疾病以及实现高通量心脏毒性筛选中的转化应用。尽管在构建可灌注的多尺度血管网络、减少批次间变异以及模拟多器官串扰方面仍存在持续性挑战，但心脏微生理系统与空间多组学、下一代生物材料和人工智能辅助培养系统的整合可能增强其转化相关性，前提是这些方法得到严格的基准测试和跨实验室验证。

心脏微生理系统（cardiac MPS）已成为心血管研究中极具前景的人源相关平台，其构建范式主要分为发育驱动的自组织策略与工程驱动的组装策略。自组织心脏类器官（COs）通过模拟胚胎心脏发育的时序性信号调控，如WNT信号通路激活与抑制、BMP4、activin A、FGF2等细胞因子的协同作用，实现多细胞谱系共分化与腔室样结构形成，具有较高的发育保真度，但存在结构异质性和批次间变异等问题。工程化心脏组织模型则依赖生物材料支架、三维生物打印和微流体技术，实现细胞组成、空间排列和微环境的精确控制，具有更好的可重复性和规模化潜力。生物材料选择涵盖天然来源（如胶原、纤维蛋白、透明质酸、明胶、脱细胞ECM）、合成材料（如PEG、PCL、PLGA）、复合水凝胶及导电生物材料，并通过调节基质刚度和拓扑特征模拟心肌微环境。生物打印技术可实现内皮化血管样结构的空间 patterning 和结构各向异性，但存在打印分辨率与细胞活力之间的权衡。微流体技术提供动态灌注、机械刺激和实时传感，支持多器官整合与高内涵筛选。成熟度评估需采用多维框架，涵盖肌节超微结构、腔室形态发生、多细胞组成、分子成熟标志物（如TNNI1向TNNI3转换）、电生理特性（如静息膜电位、动作电位形态、传导速度）、钙处理能力（如T管-二联体组织、肌浆网贡献）、收缩力学（如收缩力、松弛动力学）以及代谢重编程（如脂肪酸β-氧化、线粒体氧化磷酸化）。在应用层面，自组织COs适用于研究早期心脏发育、先天性心脏缺陷和遗传性心肌病，工程化心脏组织模型则更适合缺血性损伤建模、药物心脏毒性筛选和再生医学研究。当前主要挑战包括血管网络功能化、长期稳定性、系统性多器官整合、工艺标准化和人工智能辅助培养控制。未来需通过生物工程、多组学和自动化培养的协同整合，实现心脏MPS从概念验证向可重复、可解释、应用特异的平台转化。