综述：基于人源类器官研究心脏发育及心血管疾病中器官间通讯的进展

《Journal of Translational Medicine》：Advances in humanoid organoid-based research on inter-organ communications during cardiac organogenesis and cardiovascular diseases

这篇综述聚焦于利用人诱导多能干细胞（hiPSCs）构建的类器官模型，探讨其在研究心脏与其他器官相互作用方面的进展。涵盖了 2D 共培养和 3D 类器官模型，阐述了其在器官发生、疾病建模和药物筛选中的应用，同时分析了面临的挑战与机遇，极具科研价值。

　　### 心血管疾病研究的新视角：人源类器官模型的应用与探索
心血管疾病（CVDs）的发生发展涉及多个重要器官和组织的功能及结构改变，在压力和病理条件下，机体内心脏、大脑、肾脏等器官之间存在着复杂的相互作用关系，如炎症反应会促使心脏与肺、肝脏组织之间相互通讯 。此外，胃肠道微生物群的变化和大脑神经损伤也与心血管疾病的发生发展密切相关。深入了解器官间通讯的机制，对于开发针对心血管疾病及相关器官病变的精准药物和有效治疗方法至关重要。

传统的动物模型在研究复杂的器官间通讯方面发挥了重要作用，但由于存在种间遗传表达差异和环境因素的影响，难以完全模拟人类的生理和病理状况。随着人类多能干细胞（包括人类胚胎干细胞（hESCs）和人诱导多能干细胞（hiPSCs））的发现和发展，为研究人类器官的特定发育和疾病开辟了新的途径。hiPSCs 能够忠实复制患者的遗传背景，在研究细胞 - 细胞相互作用（CCIs）和器官间通讯方面具有独特优势，可通过二维（2D）细胞共培养研究器官间的相互作用。近年来，三维（3D）类器官技术取得了显著进展，如多谱系类器官、组装体和器官芯片等，为构建功能性人源类器官提供了可能，有助于深入研究器官间通讯在生物体发育和疾病进展中的作用 。

2D 共培养模型在 CCIs 研究中的应用

理解心血管系统需要从多层次、多方面入手，涵盖多个器官和细胞类型。基于 hiPSCs 的 2D 共培养模型能够在不同的特定细胞之间建立联系，研究潜在的相互作用效应。在心血管领域，目前的 2D 共培养模型主要关注心肌细胞与神经 - 免疫微环境的相互作用，这对于理解心脏功能和病理至关重要。

神经 - 心脏共培养模型为探究心脏对外部刺激的信号传导效应、研究心律失常、神经 - 心脏毒性和安全性评估提供了重要方法。研究发现，交感神经元与心肌细胞共培养时，可上调心肌细胞中与收缩功能相关的基因，促进间隙连接的形成，而副交感神经元与心肌细胞共培养时，刺激副交感神经元上的乙酰胆碱受体可使心肌细胞跳动频率降低，且炎症因子能恢复病理状态下心肌细胞的活性氧（ROS）水平和跳动变异性。

免疫 - 心脏共培养模型则聚焦于巨噬细胞在梗死心脏微环境中的功能作用。hiPSC 来源的同种异体巨噬细胞通过与受损巨噬细胞的交换，可改善大鼠梗死心肌的心脏功能。巨噬细胞与心肌细胞共培养时，可通过间隙连接蛋白 43 进行离子交换，对心肌细胞的收缩性产生电生理调节作用，该模型有望用于研究心律失常等离子通道疾病，并为心肌梗死的治疗策略提供思路。

此外，其他免疫细胞、前脂肪细胞、内皮细胞与心肌细胞的相互作用研究也通过共培养模型展开，这些研究有助于深入了解心脏稳态的维持机制以及相关疾病的发病机制，但 2D 培养模型存在一定局限性，缺乏 3D 结构中复杂的、自包含的基质微环境，在概括器官间通讯方面存在不足。

用于研究器官间通讯的人源类器官模型

器官发生是一个涉及不同胚胎组织相互作用的协调过程，3D 培养能够生成具有与原代组织相似器官功能的体外组织。与 2D 细胞水平相比，3D 组织模型在诱导细胞命运方面更接近体内特定过程。心血管类器官的研究已涵盖心肌、血管和瓣膜等多个领域，为心血管疾病的研究提供了众多模型 。结合组织工程技术，基于微流控装置的器官芯片得以开发，能够组装更复杂的组织组装仿生类器官，为研究人体组织和器官以及模拟病理过程提供了接近真实的模型。人源类器官模型有助于对细胞间相互作用进行宏观和微观分析，形成多器官模型，有效模拟复杂的组织 - 组织和器官间通讯，适用于器官发育、毒性和功效研究。以下介绍三种主要的用于研究器官间通讯的人源类器官模型。

• hiPSC 来源的多谱系类器官：大多数心脏类器官研究主要集中在单个器官谱系或特定信号通路，难以捕捉心脏与内胚层或外胚层器官之间的复杂相互作用。目前，类器官能够自组装成有序的模式和结构，生成多谱系类器官，这一过程由 hiPSC 聚集体和双向 Wnt 信号引导，对模拟发育过程至关重要。hiPSC 来源的由心脏和其他组织组成的多谱系类器官，能够反映胚胎心脏的结构和早期发育模式，揭示心脏与前肠内胚层和外胚层的共同发育关系，为理解器官发育提供了新的视角 。但多谱系类器官存在批次间可重复性差、实验变异性大、难以完全复制成熟器官结构等问题，需要进一步优化以更好地模拟人类微环境。
• 组装体：为了弥补多谱系类器官在细胞相互作用网络和空间组织方面的不足，由多个类器官组成的组装体应运而生。组装体是 3D 多细胞系统的高级扩展，通过组合两个或更多不同模式的类器官，整合额外的细胞或组织类型，可用于模拟组织内和组织间复杂的细胞整合，为多种疾病的病理生理学研究提供帮助 。例如，心脏组装体可用于研究复杂的心脏传导障碍，神经 - 心脏组装体有助于模拟器官间通讯，心肺组装体可观察心肺在胚胎发育过程中的相互作用。尽管如此，组装体仍面临成分异质性高、培养标准未完全标准化、缺乏精确量化技术等挑战。
• 器官芯片：器官芯片是将多个类器官系统整合在一个共培养系统中，通过在微流控装置内连接各种类器官模型实现。hiPSC 来源的器官芯片技术具有纳入患者完整多基因疾病背景的优势，能够有效模拟连接器官之间的通讯，精确控制化学、物理和细胞微环境，支持器官间通讯研究，并具有可重复性和实时监测细胞反应的特点 。器官芯片已被用于研究多个器官轴的相互作用，但在微流控装置与细胞的相互作用、类器官培养微环境以及标准化培养协议等方面仍面临挑战。

人源类器官模型的应用

人源类器官模型在模拟器官发生、疾病建模和药物筛选等方面具有巨大潜力，有望在个性化医学研究中发挥关键作用。基于这些模型，心脏与其他器官之间的通讯已成为一个重要的研究领域。

• 基于心脏 - 器官轴的器官发生：内胚层、中胚层和外胚层结构可分化为特定的组织和器官，胚层之间的相互作用对器官发育至关重要。研究发现，心脏与前肠、肠道、肺等器官在发育过程中存在密切的相互作用。例如，人类多谱系前心外膜 / 前肠类器官的研究有助于理解心肌 - 前肠在心脏发育过程中的相互作用；多谱系器官模型可模拟胚胎心脏和肠道的发育，揭示内胚层来源的细胞对心脏成熟的支持作用；心肺组装体的研究则为理解心肺共同发育的机制提供了线索 。
• 基于心脏 - 器官轴的心血管疾病建模和药物筛选：多谱系类器官不仅可用于研究心脏发育过程中的细胞间和器官间通讯，还可模拟先天性心脏发育异常等疾病的发展过程。结合组装体和微流控技术，能够建立多器官疾病模型，有助于研究多器官系统疾病的机制并筛选更有效的药物。例如，心脏 - 肾脏轴的体外模型可用于研究心脏和肾脏之间的相互作用，评估心脏药物对肾脏的影响；心脏 - 肝脏轴的模型可用于研究药物诱导的肝心毒性，预测药物代谢对心脏功能的影响；心脏 - 神经轴的模型可用于研究心律失常等疾病，评估药物对心脏神经调节的影响 。此外，多器官相互作用模型能够更真实地模拟人体生理和病理状态，为药物安全性和有效性评估提供重要依据。

hiPSC 来源的心脏模型中心肌细胞的成熟

尽管 hiPSC 来源的心脏类器官在研究心脏生理、病理和器官间通讯方面具有很大潜力，但其中的心肌细胞存在一些不成熟和胎儿样的特征，限制了其在疾病建模和治疗干预中的应用。

• hiPSC 来源的心肌细胞的不成熟特征：成熟的人类心肌细胞具有独特的杆状结构，直径为 15 - 30μm，长度为 100 - 150μm，而 hiPSC - CMs 较小，直径为 5 - 10μm，形状不规则，且肌节、T 管、线粒体和间隙连接等结构发育不完善，影响了其电生理和收缩特性 。在电生理方面，hiPSC - CMs 存在钠 - 钙交换器与 L 型 Ca²⁺通道介导的内向电流和钾离子外流失衡的问题，且具有自律性。代谢上，不成熟的心肌细胞主要依赖糖酵解供能，线粒体氧化磷酸化能力较弱，ATP 生成较少。在兴奋 - 收缩偶联方面，hiPSC - CMs 的 T 管结构不成熟，影响细胞内钙释放，导致钙瞬变不成熟 。
• 促进 hiPSC 来源的心肌细胞成熟的方法和挑战：为了提高 hiPSC - CMs 的成熟度，研究人员提出了多种策略，包括长期培养、生物物理刺激、细胞共培养和 3D 培养等。长期培养可促进 hiPSC - CMs 的肌丝组织改善和代谢转变；生物物理刺激如机械和电信号可模拟成年心肌细胞的微环境，促进其成熟；细胞共培养和 3D 培养可通过提供更接近体内的微环境来促进心肌细胞成熟 。然而，这些方法仍面临一些挑战，如长期培养耗时且可能导致细胞老化或功能退化，细胞共培养和 3D 培养在优化细胞比例、管理异质性、解决血管化和营养 / 氧梯度等问题上存在困难，缺乏标准化刺激参数和可扩展生物反应器也限制了其应用 。
• 不成熟心肌细胞的应用局限性和应用机会：不成熟的 hiPSC - CMs 在功能模拟、疾病建模和药物反应预测方面存在不足，可能导致对心肌功能障碍评估不准确、疾病表型表达模糊以及药物毒性预测偏差 。但在某些应用中，其不成熟的特征也具有独特优势，如可用于构建早期心脏发育和相关发育异常的模型，模拟特定心脏疾病的早期病理特征，研究非心肌细胞相关的心脏疾病，以及进行药物筛选和毒性测试，检测早期毒性或疗效信号 。

用于综合研究器官间通讯的组学工具

研究器官间通讯对于理解复杂的生理和病理过程至关重要，需要综合运用高通量技术进行整合分析。单 - 细胞和空间转录组学、代谢组学、蛋白质组学等技术为研究器官间通讯提供了有力工具。

• 单细胞转录组学技术：单细胞转录组学技术能够以前所未有的分辨率研究器官发生，推断内胚层和中胚层诱导相互作用的路线图，模拟心脏谱系内的器官内相互作用和趋化作用，构建心脏发育的全周期多组学图谱，为药物筛选和多器官系统疾病治疗提供平台 。
• 空间转录组学技术：空间转录组学技术能够揭示细胞的空间定位和构建动态的 3D 单细胞转录谱，有助于理解心血管疾病的发展过程，确定新的治疗靶点，同时也可用于研究肠道发育、神经系统疾病等，为疾病发生机制的研究提供新的视角 。
• 代谢组学技术：代谢组学在类器官研究中具有重要应用价值，可用于探索正常和病理条件下的代谢调节和代谢物转运机制。通过质谱技术，如液相色谱 - 质谱（LC - MS）和气相色谱 - 质谱，能够分析复杂生物系统中的代谢途径，发现生物标志物，研究肠道 - 大脑轴、肠道 - 心脏轴等器官间的相互作用，为个性化医学提供支持 。
• 蛋白质组学技术：蛋白质组学分析可用于揭示细胞间信号通路和功能蛋白网络，为研究临床疾病的分子机制提供深刻见解。常用的蛋白质组学方法包括高通量质谱分析、抗原 - 抗体阵列技术和反相蛋白质阵列技术等，多维度蛋白质组学分析结合预测算法，有望推动临床药物开发和治疗 。

结论与展望

本文综述了 hiPSC 来源的模型在研究心脏与其他器官相互作用方面的应用，包括 2D 和 3D 模型，以及用于分析这些相互作用的先进工具。在使用 2D 细胞培养或 3D 类器官模型时，需要采取多种措施来提高细胞成熟度和整体组织复杂性，以更准确地模拟人体生理和病理状态 。随着微流控装置、实时成像和 3D 打印技术的不断发展，将类器官与共培养策略相结合，有望进一步加深对器官发育、疾病发生和进展的理解 。新开发的器官芯片技术在构建更逼真的器官模型方面具有巨大潜力，有助于揭示系统疾病的机制。然而，器官微阵列在心血管疾病研究中仍处于相对初期阶段，未来的研究需要解决诸如整合生物传感器、开发复杂的心脏工程组织构建体等挑战，同时应加强对心脏 - 大脑等多器官相互作用的研究，以进一步提高对心血管疾病的认识和治疗水平 。