多维度电生理技术助力构建全球首个长QT综合征的基因编辑小型猪模型
2025-12-22 来源:本站 点击次数:75
近日，浙江大学动物科学学院庄乐南研究员、浙江大学转化医学研究院梁平教授及中国农业大学杜旭光教授带领的联合团队，在国际心血管领域顶级期刊《Circulation》（IF=38.6）上发表了题为“Modeling Long-QT Syndrome Using Gene-Edited Miniature Pigs”的研究论文。该项目获得河南省斯高电生理研究院（斯高研究院）和河南省医学科学院电生理研究所（电生理所）的深度协作与关键支撑。
该文章主要有两大亮点：
第一，构建全球首个长QT综合征的基因编辑小型猪模型；
第二，通过无创生理信号遥测系统、电标测、光标测等多维度电生理技术的联合应用，为大动物模型的心电表型验证、病理机制解析及药物治疗验证提供了经典范式。斯高研究院和电生理所共同完成了电生理相关研究工作。
2型长QT综合征（LQT2）是一种由KCNH2基因功能缺失突变引起的遗传性心律失常疾病，临床表现包括QT间期延长，并易引发心源性猝死等恶性心脏事件。KCNH2基因编码心肌电压门控钾通道hERG的α亚基，该通道负责产生延迟整流钾电流（IKr），对心肌复极至关重要。由于人类原代心肌组织难以获取，目前研究多依赖转染细胞模型或动物模型。然而，IKr在人类心室肌复极中起主导作用，而在啮齿类动物中抑制IKr对复极影响不显著，因此构建能够准确模拟人类LQT2病理特征的大动物模型成为迫切需求。
该研究成功构建全球首个KCNH2基因敲除的长QT综合征小型猪模型，系统模拟了人类LQT2的临床与病理表型，为疾病机制解析与药物研发提供了重要平台。
研究团队运用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术，结合体细胞核移植和胚胎移植，成功获得国际首个KCNH2基因敲除的长QT综合征小型猪模型，构建流程如下：（图 1）
图1. 基因编辑猪构建流程
利用这一模型，研究团队对 1 头清醒、无束缚状态的野生型小型猪和 1 头基因突变小型猪进行 24 小时心电图持续监测（无创生理信号遥测系统，设备品牌：MappingLab），结果显示突变猪表现出 QT 间期延长、T 波异常及 QT 离散度增加，与人类 LQT2 的表型高度相似，并记录到自发性尖端扭转型室速等恶性心律失常事件，相关检测结果通过图 2 呈现，包括 42 月龄野生型与基因突变猪的心电图、两者 Bazett 校正 QT 间期（QTCB）柱状图、QT/RR 关系散点图及线性回归（实线为拟合线）、QT 间期 Poincaré 散点图（野生型置信区间面积 4.68，基因突变猪 7.56），以及 9 月龄基因突变猪动态心电图记录的自发性尖端扭转型室速。
图2. 基因突变猪心电异常
图3. 在体诱导室速实验结果
为了研究基因突变猪离子通道的改变，利用光标测技术（Optical Mapping; 设备品牌：MappingLab）发现，与野生型猪相比，基因突变猪表现出明显的室间复极化延长与传导延迟，相关实验结果见图 4，左上图为电压敏感染料标测的右心室组织块时间传导图及动作电位复极 80% 时程（APD80），清晰呈现基因突变猪复极延长、传导延迟的特征；右上图为不同基础周期长度（BCL）下 APD80 点图；左下图为不同 BCL 下 APD30/APD80 点图；右下图为钙敏感染料标测的钙瞬变传导时长及回收 80% 时长图，红色箭头指示基因突变猪钙瞬变暂停现象。
图4. 光标测实验结果
此外，研究还发现基因突变猪心脏出现钙瞬变异常，研究人员使用钙离子阻断剂地尔硫卓进行干预，证实其可缓解钙瞬变暂停与动作电位时程延长，首次通过实验验证钙通道阻滞剂可能减少 LQT2 患者的恶性心律不齐事件，相关干预效果见图 5，左上图为不同浓度地尔硫卓处理后右心室组织块钙瞬变时长图，可见 10μM 地尔硫卓可恢复基因突变猪钙瞬变暂停；右上图为钙瞬变峰值点图；左下图为动作电位代表图；右下图为 APD30/APD50/APD80 比较线图，显示 30μM 地尔硫卓可使基因突变猪 APD 恢复至野生型基线水平。
图5. 地尔硫卓干预实验结果
图6. 膜片钳实验结果
单核转录组测序进一步揭示，突变猪心肌组织中钾、钙离子通道失衡，并伴有代谢水平下降与炎症通路激活，为深入理解LQT2的复杂病理机制提供了新视角（图7）。
图7. 单细胞核转录组测序结果
综上，本研究成功构建全球首个能够高度模拟人类LQT2的基因编辑小型猪模型。相较于现有的长 QT 综合征小动物模型，该大动物模型的建立是一项重大突破，为 LQT2 的基因治疗研究和临床前药物筛选提供了极高的应用价值。鉴于 hERG 通道既是心律失常药物治疗的核心靶点，又与获得性长 QT 综合征密切相关，此模型具备广泛的科研与临床应用前景。
该文章主要有两大亮点：
第一，构建全球首个长QT综合征的基因编辑小型猪模型；
第二，通过无创生理信号遥测系统、电标测、光标测等多维度电生理技术的联合应用，为大动物模型的心电表型验证、病理机制解析及药物治疗验证提供了经典范式。斯高研究院和电生理所共同完成了电生理相关研究工作。
2型长QT综合征（LQT2）是一种由KCNH2基因功能缺失突变引起的遗传性心律失常疾病，临床表现包括QT间期延长，并易引发心源性猝死等恶性心脏事件。KCNH2基因编码心肌电压门控钾通道hERG的α亚基，该通道负责产生延迟整流钾电流（IKr），对心肌复极至关重要。由于人类原代心肌组织难以获取，目前研究多依赖转染细胞模型或动物模型。然而，IKr在人类心室肌复极中起主导作用，而在啮齿类动物中抑制IKr对复极影响不显著，因此构建能够准确模拟人类LQT2病理特征的大动物模型成为迫切需求。
该研究成功构建全球首个KCNH2基因敲除的长QT综合征小型猪模型，系统模拟了人类LQT2的临床与病理表型，为疾病机制解析与药物研发提供了重要平台。
研究团队运用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术，结合体细胞核移植和胚胎移植，成功获得国际首个KCNH2基因敲除的长QT综合征小型猪模型，构建流程如下：（图 1）
图1. 基因编辑猪构建流程
利用这一模型，研究团队对 1 头清醒、无束缚状态的野生型小型猪和 1 头基因突变小型猪进行 24 小时心电图持续监测（无创生理信号遥测系统，设备品牌：MappingLab），结果显示突变猪表现出 QT 间期延长、T 波异常及 QT 离散度增加，与人类 LQT2 的表型高度相似，并记录到自发性尖端扭转型室速等恶性心律失常事件，相关检测结果通过图 2 呈现，包括 42 月龄野生型与基因突变猪的心电图、两者 Bazett 校正 QT 间期（QTCB）柱状图、QT/RR 关系散点图及线性回归（实线为拟合线）、QT 间期 Poincaré 散点图（野生型置信区间面积 4.68，基因突变猪 7.56），以及 9 月龄基因突变猪动态心电图记录的自发性尖端扭转型室速。
图2. 基因突变猪心电异常
团队进一步将猪麻醉开胸后，通过电标测技术（Electrical Mapping; 设备品牌：MappingLab）记录在体诱导室速实验，结果显示相同刺激条件下，野生型猪心脏被成功起搏，刺激停止后立即恢复为正常的窦性心律，而基因突变猪则诱发出强烈室颤，刺激停止后的传导图出现多个波裂，提示其心室复极不均一，易发恶性心律失常，图 3 左图为麻醉状态下野生型与基因突变猪经短阵快速刺激（S1S1）诱导的心电图（基因突变猪出现持续性室颤），右图为传导图，展示了刺激前基础窦性心律、野生型刺激后窦性心律及基因突变猪刺激后心律失常的心脏传导特征。
图3. 在体诱导室速实验结果
为了研究基因突变猪离子通道的改变，利用光标测技术（Optical Mapping; 设备品牌：MappingLab）发现，与野生型猪相比，基因突变猪表现出明显的室间复极化延长与传导延迟，相关实验结果见图 4，左上图为电压敏感染料标测的右心室组织块时间传导图及动作电位复极 80% 时程（APD80），清晰呈现基因突变猪复极延长、传导延迟的特征；右上图为不同基础周期长度（BCL）下 APD80 点图；左下图为不同 BCL 下 APD30/APD80 点图；右下图为钙敏感染料标测的钙瞬变传导时长及回收 80% 时长图，红色箭头指示基因突变猪钙瞬变暂停现象。
图4. 光标测实验结果
此外，研究还发现基因突变猪心脏出现钙瞬变异常，研究人员使用钙离子阻断剂地尔硫卓进行干预，证实其可缓解钙瞬变暂停与动作电位时程延长，首次通过实验验证钙通道阻滞剂可能减少 LQT2 患者的恶性心律不齐事件，相关干预效果见图 5，左上图为不同浓度地尔硫卓处理后右心室组织块钙瞬变时长图，可见 10μM 地尔硫卓可恢复基因突变猪钙瞬变暂停；右上图为钙瞬变峰值点图；左下图为动作电位代表图；右下图为 APD30/APD50/APD80 比较线图，显示 30μM 地尔硫卓可使基因突变猪 APD 恢复至野生型基线水平。
图5. 地尔硫卓干预实验结果
膜片钳实验结果显示，基因突变猪心室肌细胞的 IKr 峰值电流密度与尾电流密度均显著降低，从电生理层面确认了通道功能缺陷，图 6 左图为野生型与基因突变猪原代心肌细胞 IKr 电流图（黑线为基线，绿线为 E-4031 处理后）；中间图为 E-4031 敏感性 IKr 电流（通过两次电流相减获得）；右图为 E-4031 敏感性电流密度统计分析，直观呈现基因突变猪 IKr 电流密度显著降低的特征。
图6. 膜片钳实验结果
单核转录组测序进一步揭示，突变猪心肌组织中钾、钙离子通道失衡，并伴有代谢水平下降与炎症通路激活，为深入理解LQT2的复杂病理机制提供了新视角（图7）。
图7. 单细胞核转录组测序结果
综上，本研究成功构建全球首个能够高度模拟人类LQT2的基因编辑小型猪模型。相较于现有的长 QT 综合征小动物模型，该大动物模型的建立是一项重大突破，为 LQT2 的基因治疗研究和临床前药物筛选提供了极高的应用价值。鉴于 hERG 通道既是心律失常药物治疗的核心靶点，又与获得性长 QT 综合征密切相关，此模型具备广泛的科研与临床应用前景。
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