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跳动的脉搏
Nature子刊:斯坦福大学采用人造心脏组织展示“心率过速”
【字体: 大 中 小 】 时间:2023年12月21日 来源:Nature Biomedical Engineering
现如今,心率比以往任何时候都更容易监测。由于智能手表可以感应脉搏,你只需要快速转动手腕就能检查你的心脏。但监测负责心率的细胞更具挑战性——这鼓励了研究人员发明新的方法来分析它们。
斯坦福心血管研究所主任,医学和放射学教授Joseph Wu医学博士,设计了一种新的干细胞衍生的心脏组织模型,该模型提供了对心脏细胞失去控制时突然出现的情况的见解。特别是,吴正在研究一种叫做心动过速的疾病,这种疾病会增加心率,并可能导致心肌病,在这种情况下,心脏结构健康的人的心脏失去了充分泵血的能力。
为了研究心动过速引起的心肌病,研究人员从人类干细胞中提取心脏细胞,以揭示我们身体的引擎在超速行驶时是如何运行的。
“心动过速可能比我们想象的更常见,”帮助领导这项工作的博士后学者Chengyi Tu博士说。“人们认为这种情况没有得到充分诊断,因为心率加快在不同类型的心脏病中都很常见,而且被掩盖了。”
“用人类干细胞衍生的心脏组织模拟心动过速引起的心肌病,使我们能够更好地理解快速心率对我们身体的影响,”该研究的资深作者、医学博士、教授Simon H. Stertzer说。该研究发表在11月27日的《Nature Biomedical Engineering》杂志上。屠是第一作者。
工程心脏细胞
与大多数类型的器官组织不同,心脏细胞极难在实验室中培养。在培养皿中培养的患者心脏细胞往往会去分化,即失去其主要功能,无法跳动。
“理想情况下,你想要在疾病诊断后,疾病期间和治疗后采集患者的心脏样本,”Tu说。“为了验证你的发现,你需要大量的重复来给你统计上的力量,但在临床上,不可能如此频繁地取样。”
考虑到组织的缺乏,吴和他的同事们从干细胞中培养了400多个心脏组织样本,以观察心脏细胞的功能,这个过程持续了四年多。制造工程心脏组织与在培养皿中培养细胞非常不同。时间很长。从干细胞中生成心脏细胞大约需要两周时间;将它们组装成3D组织并使其成熟需要近两个月的时间。
恢复化学平衡
研究人员使用一个带电线的腔室,电刺激细胞,诱发心动过速。他们测试了这些细胞能否在10天内从心动过速中恢复过来。在最初的五天里,细胞持续收缩的能力下降到正常功能的50%左右。但一旦研究人员停止电刺激,这些细胞在5天内就完全恢复了。
这与医生已经知道的心动过速引起的心肌病是一致的——它大多是可逆的。当一个人的心率减慢时,他们的心脏组织功能就会恢复正常。
在另一项实验中,研究人员在另一组工程心脏组织中诱导心动过速。然后,在停止刺激后,研究小组用NAD(一种支持能量反应的分子)补充了这些组织,结果发现心脏细胞的功能恢复得更快。到第一天,补充组的组织恢复了83%的原始功能,而未治疗组几乎没有改善。
为了验证他们的发现,研究小组将工程心脏组织与临床人类数据和犬模型数据进行了比较。科学人员很惊讶这种人造心脏组织能很好地模仿人类的心脏。
揭开分子开关
在心动过速期间,心脏可能很难将血液泵到身体的其他部位,因为快速的心率阻止了心脏的腔室充满和完全收缩。如果持续数天或数周(严重的情况下可能会发生),血管就会停止向心脏组织和身体其他部位供应足够的氧气。
正常跳动时,心脏使用脂肪作为能量来源,但分解脂肪需要大量氧气。在没有氧气的情况下,心脏的燃料来源会在新陈代谢重组的过程中转换成糖。燃料转换和缺氧,或缺氧,导致NAD/NADH比率的降低,这是一个重要的化学组合,有助于维持心脏组织中被称为SERCA的蛋白质的功能。
“SERCA蛋白的不同水平就像汽车的油门和刹车踏板,”Tu说。当研究人员增加NAD的数量时,心脏的油门踏板被推了起来,SERCA蛋白加强了工程细胞的心跳。当减少时,经过改造的心脏组织就会踩刹车,使它们跳动得更弱。
临床医生相信,通过现成的补充剂或静脉注射给病人NAD,他们可以恢复化学平衡,加速病人的康复。
除了一种可能帮助患者从心动过速中恢复的新补充剂外,这项研究还证明了新方法对疾病建模的重要性。去年,乔·拜登总统签署了《FDA现代化法案2.0》,取消了在进行人体药物试验之前必须进行动物试验的要求。“现在,我们更需要非动物模型来补充动物模型,”Tu说。“这项工作证明,使用通用的非动物模型来研究这种疾病并测试可能的治疗方法,是有可能模拟复杂的心脏病的。”
Tachycardia-induced metabolic rewiring as a driver of contractile dysfunction