研究背景
心律失常是全球范围内导致死亡的主要原因之一，其发生与心肌细胞动作电位的产生及生物电信号在心脏组织中的传导密切相关。然而，目前对心律失常机制的理解和新药研发仍面临重大挑战。传统的电生理评估路径主要依赖离体细胞膜片钳实验和动物模型心电图监测，但这两种方法均存在明显局限性：离体细胞无法反映组织层面的电信号传导特性，体内外实验结果常不一致，且动物与人类之间的种属差异使得临床转化困难。因此，亟需构建更接近人体心脏生理状态的新型体外模型，以改善对心脏病理生理过程的理解并促进抗心律失常药物的开发。

随着类器官技术的成熟，利用人类诱导多能干细胞（hiPSC）构建的三维心脏类器官应运而生。这类器官不仅包含心肌细胞，还可包含内皮细胞和血管平滑肌细胞等组分，能够自发形成腔室样结构，并模拟真实心脏的收缩舒张周期和电活动。因此，心脏类器官被认为是一种极具潜力的平台，可用于评估基因和药物对心脏电活动的影响，弥补传统模型在组织结构和功能模拟上的不足。

基于此，北京大学第三医院祖凌云教授、北京大学郑乐民教授及李扬教授开展相关研究，其成果发表在《Pharmacological Research》期刊。


研究目的
本研究旨在建立一套标准化的心脏类器官电生理检测流程，系统评估该类器官在整体场电位、钙信号传导和单细胞膜电位三个层次上是否表现出类似天然心脏组织的电活动特征。同时，通过应用已知影响心脏节律的药物（如E-4031、西沙必利和ATX-II）进行干预，验证类器官对药物反应的敏感性与组织一致性，并进一步探索类器官内细胞电生理异质性的存在及其生理意义。最终目标是为心律失常机制研究和中高通量药物筛选提供一种更可靠、更具生理相关性的体外平台。

研究方法
1. 利用hiPSC在超低吸附96孔板中诱导分化，构建含有心肌细胞和血管样结构（CD31+内皮细胞、αSMA+血管平滑肌细胞）的心脏类器官。随后，从三个层面开展电生理检测：

2. 微电极阵列（MEA）：将类器官贴附于64通道MEA金电极板，记录其整体场电位信号，分析峰幅度（Spike amplitude）、搏动率（Beat rate）、场电位时程（FPD）及心率校正后的时程（FPDc），并观察E-4031、西沙必利、ATX-II及异丙肾上腺素干预后的动态变化。



3. 光学标测钙瞬变信号：采用Fluo-4 AM荧光染料负载类器官，在0.5 Hz电刺激下记录钙瞬变信号的起始与传导，计算钙瞬变时程（CTD30和CTD90）及其空间分布异质性，并与豚鼠心脏切片及iPSC分化单层心肌细胞进行比较。同时，通过增强血管化（iCardioids）探究内皮细胞比例对钙信号的影响。



4. 膜片钳分析：将类器官消化为单细胞，通过流式分选和免疫染色鉴定心室样心肌细胞（MYL3+），并利用全细胞电流钳模式记录自发和诱发的动作电位，分类不同电生理表型的细胞亚群，并比较混合培养后电活动变化。

5. 研究者还通过免疫荧光、实时荧光定量PCR（qPCR）和流式细胞术验证类器官的细胞组成和标志物表达。

研究结果
1. 心脏类器官的构建与多细胞组成验证
研究者利用hiPSC在超低吸附96孔板中诱导分化，成功构建了直径约1000～1500 μm、内含1～2个腔室的球形心脏类器官。免疫荧光染色证实，类器官广泛表达心肌细胞标志物TNNT2，同时含有CD31+内皮细胞和αSMA+血管平滑肌细胞，qPCR进一步检测到成纤维细胞标志物COL1A1和DDR2的表达，表明该类器官具有多细胞组分和初步的组织学异质性（图1）。
2. 整体场电位呈现心脏样电活动并对多种药物产生一致性反应
利用MEA记录类器官整体场电位，基线信号呈现明显周期性并包含类似心电图的“QRS”波群。药物干预结果显示：E-4031（钾通道阻滞剂）特异性延长场电位时程，但不影响峰幅度和搏动率；西沙必利与ATX-II单独及联合使用均诱导心动过速样周期缩短；异丙肾上腺素则全面增强电活动，表现为峰幅度升高、搏动加快及时程延长。上述反应模式均与已知体内实验结果一致，验证了类器官在整体电生理层面的药物反应塑性（图2）。


3. 钙信号标测揭示药物诱导的时空异质性及血管化调节效应
光学标测显示，类器官内钙瞬变从局部起始点向整体传导。西沙必利+ATX-II干预后，钙瞬变时程（CTD）显著延长，且不同区域细胞间CTD的离散度增加，呈现明显的空间异质性。与豚鼠心脏切片相比，类器官的钙信号特征和药物反应高度相似；而单层心肌细胞则CTD分布规则、缺乏组织特有的异质性，凸显三维类器官的优势（图3）。
进一步构建血管化增强的iCardioids后发现，其CTD显著短于普通类器官，提示内皮细胞可能具有缩短邻近心肌细胞钙瞬变时程的调控功能（图4）。

4. 膜片钳分析证实类器官内存在电生理表型各异的心肌细胞亚群
将类器官消化为单细胞后，经鉴定大部分为心室样心肌细胞（MYL3+），且约有5.98%的细胞高表达心外膜标志物Cx43，提示分子水平的异质性。根据自发动作电位特征，可将细胞分为四类，其中第3类无自发节律。将第1类和第2类细胞等比例混合后，其动作电位形态更接近组织来源的心肌细胞。梯度电流刺激显示，不同细胞亚群的Na+、Ca2+和K+离子流贡献比例存在显著差异，直接证明了类器官内心肌细胞存在功能性的电生理异质性，这与天然心脏中不同区域细胞分工协同的生理基础相吻合（图5、图6）


研究结论
心脏类器官作为一种包含多种细胞类型、具备三维立体结构和功能异质性的体外模型，能够在整体场电位、钙信号传导和单细胞膜电位三个层次上模拟天然心脏的电活动特征，并对药物干预产生与体内一致的应答。该模型有望成为心律失常机制研究、致心律失常风险预测以及中高通量抗心律失常药物筛选的新型高效平台。

技术分享：
斯高平台的细胞收缩与钙成像标测系统，可同步检测类器官的钙瞬变与收缩信号，分析钙瞬变时程、传导时间、传导速度、传导离散度、收缩达峰时间、舒张时间等指标。