综合促进人诱导多能干细胞衍生心肌细胞成熟的创新策略

《Nature Communications》：Comprehensive promotion of iPSC-CM maturation by integrating metabolic medium with nanopatterning and electrostimulation

为解决 iPSC-CM 不成熟问题，研究人员开展联合代谢培养基、纳米图案和电刺激的研究，提升了其成熟度。

　　

研究背景

在生命科学和医学领域，人类诱导多能干细胞（iPSCs）的发现堪称重大突破。它就像一把神奇的钥匙，为医学研究和临床应用打开了新的大门。因为 iPSCs 能分化成各种细胞，其中，iPSC 衍生的心肌细胞（iPSC-CMs）更是备受关注，被视作探索疾病机制、研究药物效果以及治疗心力衰竭的 “希望之星”。

然而，iPSC-CMs 却存在一个关键问题 —— 不成熟。与成熟的成年心肌细胞相比，iPSC-CMs 在形态、基因表达模式、代谢和功能等方面都有很大差异。打个比方，iPSC-CMs 就像是未完全发育成熟的幼苗，在模拟临床疾病和预测药物反应时 “力不从心”。比如在药物筛选中，它可能无法准确识别某些药物的致心律失常或心脏毒性，就像一个不准确的 “探测器”，这极大地限制了其在药物研发和临床治疗中的应用。

为了攻克这一难题，来自德国德累斯顿工业大学（Technische Universit?t Dresden）的研究人员踏上了探索之旅。他们开展了一项系统性研究，旨在找到一种高效的方法来促进 iPSC-CMs 的成熟，相关研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：

1. 细胞培养与分组：使用来源于 3 名健康个体的 iPSCs，通过特定的分化方案获得心室样心肌细胞，并将其分为 4 个实验小组，分别在不同条件下培养，以此研究不同因素对 iPSC-CMs 成熟的影响。
2. 电生理检测：运用膜片钳和多电极阵列（MEA）技术，检测细胞的动作电位（AP）和场电位（FP）等电生理参数，从而评估 iPSC-CMs 的电生理成熟度。
3. 基因表达分析：采用 RNA 测序（RNA-seq）技术，深入探究不同条件下 iPSC-CMs 的基因表达变化，进而分析相关信号通路和基因调控机制。

研究结果

1. 联合方法促进结构成熟：研究发现，纳米图案（NP）的应用能够诱导 iPSC-CMs 的细胞形状改变，使其排列更加有序。在添加了富含脂肪酸的成熟培养基（MM）和电刺激（ES）后，细胞的肌节结构更加规整，肌节长度显著增加，相关蛋白的共定位也得到增强，这表明联合应用 MM、NP 和 ES 能有效促进 iPSC-CMs 的结构成熟。
2. 联合方法改善电生理成熟：通过膜片钳和 MEA 技术检测发现，联合处理的 iPSC-CMs 的静息膜电位（RMP）更负，动作电位上升速度（Vmax）、动作电位幅度（APA）和传导速度（CV）都显著增加，且 APD₉₀明显缩短。同时，多种离子电流（如 I_Na、I_KI、I_Kr等）密度增加，这说明联合方法显著提升了 iPSC-CMs 的电生理成熟度。
3. 联合方法改善钙处理和收缩性：对 iPSC-CMs 的钙处理能力进行研究发现，联合处理组的 L 型钙通道（LTCC）电流 I_Ca-L密度降低，但细胞内 Ca²⁺瞬变幅度不变，且 Ca²⁺瞬变衰减时间常数缩短，咖啡因诱导的肌浆网（SR）Ca²⁺释放增加，这意味着细胞的钙处理效率提高。此外，联合处理组的收缩和舒张时间缩短，收缩功能增强，基因表达比例也发生了有利于成熟的变化。
4. 联合方法改善药物反应：以维拉帕米、E-4031 和异丙肾上腺素为模型药物进行研究，发现成熟度更高的 iPSC-CMs 对这些药物的反应更接近成年心肌细胞。例如，在维拉帕米处理下，联合处理组的 iPSC-CMs 未出现明显的心律失常，而对照组则出现了跳动停止的现象，这表明联合方法能有效改善 iPSC-CMs 的药物反应。
5. 联合方法下调 MAPK/PI3K-AKT 通路：RNA-seq 分析显示，联合处理组中 MAPK/PI3K-AKT 等通路相关基因下调，细胞周期相关基因表达改变，导致细胞周期在 S 期后、M 期退出前发生停滞，进而使 iPSC-CMs 出现多倍体化。
6. 基因表达谱与代谢和电生理相关联：联合处理组中，参与电子传递链（ETC）、三羧酸循环（TCA cycle）、线粒体生物发生等代谢相关基因上调，线粒体质量和功能增强。同时，与离子通道功能相关的基因表达变化与电生理功能改变相匹配，进一步证明了联合处理对 iPSC-CMs 成熟的促进作用。
7. MM + ES 单独诱导成熟：研究还发现，MM + ES 单独处理也能诱导 iPSC-CMs 的成熟，虽然效果不如 MM + NP + ES 联合处理，但也能增强线粒体发育、电生理功能并促进多倍体化。

研究结论与讨论

这项研究系统地探究了 MM、NP 和 ES 对 iPSC-CMs 成熟的协同作用，为 iPSC-CMs 的成熟机制提供了重要的理论依据。研究表明，联合应用 MM、NP 和 ES 是促进 iPSC-CMs 结构、电生理、代谢和功能成熟的有效策略。

从机制上看，这种成熟过程涉及 MAPK/PI3K-AKT 信号通路的调节，以及 TFAM/HMCES 和 SRF 靶基因的调控。这些发现对于 iPSC-CMs 在疾病建模和药物测试中的应用具有重要意义，有望提高药物研发的准确性和安全性。

然而，研究也存在一些局限性。例如，2D 培养的 NP 表面与 3D 组织相比，在结构成熟方面仍有差距；虽然联合处理能显著提升 iPSC-CMs 的成熟度，但与真正的成年心肌细胞相比，仍存在一定差异。

总体而言，该研究为 iPSC-CMs 的成熟研究开辟了新的道路，为未来进一步优化 iPSC-CMs 的成熟方法、提高其在临床应用中的价值奠定了坚实基础。相信在未来，随着研究的不断深入，iPSC-CMs 将在医学领域发挥更大的作用，为人类健康带来更多福祉。