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心力衰竭（HF）严重威胁全球健康，现有细胞模型难以精准模拟其特征。研究人员利用诱导多能干细胞（iPSCs）构建心脏类器官，用内皮素 - 1（ET-1）诱导 HF 特征。结果显示该模型重现了 HF 病理标记，为研究 HF 机制和新疗法提供有力平台。
在医学研究的广阔领域中，心力衰竭（Heart Failure，HF）宛如一座难以攻克的险峻高山，横亘在科研人员探寻有效治疗方案的道路上。据统计，全球约有 6400 万人饱受 HF 的折磨。这一病症的根源在于心脏无法高效泵血，进而引发一系列令人痛苦的症状，像呼吸急促、持续咳嗽、浑身乏力、身体肿胀，以及肺部和外周组织出现积液等。
HF 的发病因素复杂多样，冠状动脉疾病（CAD）、高血压、心脏瓣膜缺陷、遗传性心肌病、淀粉样变性、糖尿病、肥胖症、心房颤动，还有接触心脏毒素等，都是导致 HF 的重要风险因素。在 HF 的发展进程中，心肌细胞的不良肥厚性重塑是其显著特征之一。虽说细胞肥大通常被视为心脏应对压力的一种适应性反应，但过度肥大却会增加心肌细胞的死亡率，促使纤维化发生，反而加剧了病情的恶化。除此之外，衰竭心脏还存在代谢和蛋白质组失衡、肌节结构紊乱、钙稳态失调、炎症反应、细胞衰老、细胞死亡以及纤维化等一系列病理生理变化。
为了深入了解 HF 的发病机制，开发更有效的治疗手段，科研人员一直在寻找理想的细胞模型。然而，现有的细胞模型却存在诸多缺陷。目前，各类体内心脏疾病模型，无论是小型动物模型还是大型动物模型，在分子研究方面，大多依赖原代培养和细胞系。但这些模型都有其自身的局限性，无法准确模拟人类疾病的真实特征，这使得研究成果在向临床应用转化的过程中困难重重。
就在这一困境中，意大利博洛尼亚国家心血管研究所以及相关研究团队挺身而出，勇敢地迎接挑战，开展了一项极具创新性的研究。他们将目光聚焦于诱导多能干细胞（Induced Pluripotent Stem Cells，iPSCs），致力于利用 iPSCs 构建一种能够模拟 HF 关键特征的体外模型。
研究人员通过精心设计的实验，成功利用 iPSCs 制备出了自组装、无支架的心脏类器官。这些心脏类器官具备三维结构和多种细胞组成，能够更真实地模拟心脏组织的复杂性，为研究 HF 提供了理想的实验平台。为了诱导出 HF 的典型特征，研究人员采用了内皮素 - 1（Endothelin-1，ET-1）进行处理。ET-1 作为一种具有双重血管活性和心脏活性的肽类物质，能够激活心肌细胞膜上的 G 蛋白偶联受体（GPCRs），进而引发心肌细胞的不良肥厚性重塑，是 HF 发生发展过程中的重要参与者。
研究结果令人振奋。基因表达分析表明，这些心脏类器官在分化过程中，成功实现了从干细胞标记物（如 OCT4、NANOG）向心脏标记物（如 TNNT2、DES）的转变，这有力地验证了它们的心脏表型。经过 ET-1 处理后，该实验模型成功再现了 HF 的多种病理标记。其中，编码心房利钠肽（Atrial Natriuretic Peptide，ANP）、脑利钠肽（Brain Natriuretic Peptide，BNP）以及细胞骨架蛋白 α - 骨骼肌肌动蛋白（α - skeletal actin，ACTA1）的基因表达上调。同时，MicroRNA（miR）的表达谱也发生了显著变化。在功能方面，ET-1 处理导致心脏类器官的收缩性明显降低，这正是 HF 的一个重要特征，意味着心脏的收缩功能出现了衰退。此外，通过硫黄素 T（Thioflavin T，ThT）染色、ThT 荧光测定以及蛋白质提取物的滤膜捕获测定等组织学分析方法发现，ET-1 处理后出现了蛋白质聚集的现象。而令人惊喜的是，研究还发现联合使用多种营养保健品能够有效减轻这些不良影响。
这项研究成果发表在《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Basis of Disease》上，具有重大的意义。它为研究 HF 的发病机制提供了一个强大的实验平台，有助于科研人员更深入地探究 HF 发生发展过程中的分子机制。同时，该模型也为评估新型治疗方法的有效性提供了可靠的工具，有望加速新型治疗药物和治疗策略的开发，为全球众多 HF 患者带来新的希望。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是细胞培养与分化技术，利用商业化获取的 Gibco 人附加型 iPSC 系，在特定的培养条件下，使其分化为心脏类器官。其次是基因表达分析技术，通过对关键基因表达水平的检测，验证心脏类器官的分化情况以及 HF 病理标记的再现。此外，还运用了组织学分析技术，如 ThT 染色、ThT 荧光测定和滤膜捕获测定等，用于观察蛋白质聚集情况。
下面具体来看研究结果：
- 心脏类器官分化验证：对心脏类器官样本进行关键基因表达分析，对比未分化的 iPSCs，评估心脏标记物 TNNT2和 DES 在分化过程中不同时间点（第 1、5、8、11 和 15 天）的表达情况，发现其呈现出逐渐变化的趋势，证实了心脏类器官成功分化出心脏表型。
- HF 病理标记再现：经过 ET-1 刺激后，心脏类器官表达出 HF 的病理标记，包括 ANP、BNP、ACTA1 基因的上调以及 miR 表达谱的改变，表明该模型能够模拟 HF 的病理特征。
- 功能变化：ET-1 处理后，心脏类器官的收缩性降低，反映出其收缩功能下降，这与 HF 的典型特征相符，进一步验证了模型的有效性。
- 蛋白质聚集：通过 ThT 染色、ThT 荧光测定和滤膜捕获测定等组织学分析，发现在 ET-1 处理后心脏类器官出现蛋白质聚集现象，揭示了 HF 过程中的蛋白质稳态失衡问题。
- 营养保健品的作用：研究发现联合使用多种营养保健品能够减轻 ET-1 处理带来的不良影响，为探索潜在的治疗方法提供了新的方向。
研究结论表明，利用 iPSCs 构建的 ET-1 刺激的心脏类器官模型，成功模拟了 HF 的关键特征，包括病理标记、功能变化和蛋白质聚集等。这一模型为研究 HF 的发病机制提供了新的视角，也为评估新型治疗策略的有效性提供了有力的工具。在讨论部分，研究人员强调了心脏类器官的三维结构和细胞组成在模拟复杂疾病方面的优势，以及该模型在未来心血管疾病研究中的巨大潜力。这一研究成果为心力衰竭的研究和治疗开辟了新的道路，有望推动心血管医学领域取得重大突破。
