无需显微镜即可观察的人源心脏类器官及房颤模拟应用

 

由密歇根州立大学Aitor Aguirre团队主导构建了一个人类心脏-巨噬细胞组合体（hHMA）模型，首次在体外重现了胚胎期心脏驻留巨噬细胞（TRMPs）的发育整合、功能调控及其在炎症驱动的心律失常（如房颤）中的作用。

一、研究背景：为什么做？

• 心脏巨噬细胞（TRMPs）在胚胎期即定植心脏，参与心脏发育、电传导、细胞外基质（ECM）重塑、凋亡细胞清除（efferocytosis）等关键过程。
• 现有心脏类器官（hHO）缺乏TRMPs，无法模拟免疫-心脏互作。
• 房颤（AF）等心律失常与慢性炎症密切相关，NLRP3炎症小体激活是核心机制之一，但缺乏人源化模型进行机制研究和药物筛选。

二、技术路线：怎么做？

1. 构建hHMA：心脏类器官+巨噬细胞：“先让心脏类器官（hHO）长到容易‘接待’巨噬细胞的时间窗，再把 hPSC 来源的卵黄囊样单核细胞按胚胎定植节奏分三批‘投递’进去，让它们在类器官内自然分化成组织驻留巨噬细胞（TRMPs）。”

心脏类器官（hHO）：由hPSC通过自组装分化形成，包含心室/心房肌细胞（VCM/ACM）、成纤维细胞（CF）、内皮细胞（ENC）、瓣膜细胞（VC）等。

巨噬细胞来源：hPSC分化为卵黄囊样原始单核细胞（CD14+），在hHO发育第8、12、16天分批次整合，模拟胚胎期TRMPs定植。

整合效率：20,000–30,000单核细胞/次，最终TRMPs占比1–3%，与胚胎心脏一致。

巨噬细胞来源与预培养

• 细胞来源
• 与心脏类器官同基因背景的 hPSC（H9、H1、iPSC-L1 等均可）。
• 单核细胞分化（Yanagimachi 5 步法改良）
• D0：hPSC 用 Accutase 解离 → 80 ng/mL BMP4 + 2 µM Thiazovivin 诱导 EB。
• D2：EB 贴 Matrigel，续用 BMP4。
• D4：换液，加 VEGF/SCF/bFGF（造血血管过渡）。
• D6–D14：依次加 SCF、IL-3、TPO、M-CSF、FLT-3L，向髓系倾斜。
• D18 起：每 4 d 收一次非贴壁细胞 → 富集 CD14⁺单核细胞（MACS，130-050-201 Miltenyi）→ 纯度 ≥ 94%。
• 收得细胞立即使用或 4 °C 保存 ≤ 6 h，以保证存活与整合效率。

心脏类器官准备（hHO）

• 标准流程（Lewis-Israeli 2021 改良）
• D0：10 000 hPSC/孔，96 孔超低吸附圆底板，100 g 离心 3 min 促聚集。
• D1：加 CHIR99021（4 µM）+ BMP4 + Activin A，24 h。
• D2：换 RPMI/B27(-insulin)。
• D4：加 Wnt-C59（2 µM），48 h。
• D6–D8：基础 RPMI/B27(-insulin)。
• D7：短暂再 CHIR（2 µM，1 h）→ 诱导心外膜前体。
• D8 起：换 RPMI/B27(+insulin) 每 48 h 换液。
• 关键质量检查
• D8 细胞数 ≈ 2.9 × 10⁵/类器官（PicoGreen 定量）。
• 转录水平：VCAM1 高、TNNT2 阳性，无 CD45/PTPRC 信号（确保无内源免疫细胞）。

2. 模型成熟与疾病诱导

成熟期：第20–30天使用增强成熟培养基（EMM2/1），含脂肪酸、甲状腺激素、IGF-1等。

炎症刺激：第30–64天加入LPS+IL-1β+IFN-γ（低/中/高剂量），模拟慢性炎症状态。

药物干预：使用NLRP3抑制剂MCC950验证机制。

三、主要发现：得到了什么？

1. TRMPs成功整合并长期存活

形态：TRMPs均匀分布于心脏类器官内部，形成CX43间隙连接与心肌细胞电耦合。

转录组：表达TRMP标志物（CD14、CD68、CD163、CSF1R、MRC1），不表达CCR2（符合胚胎TRMP特征）。

功能：

• efferocytosis：吞噬凋亡心肌细胞，依赖MERTK通路。
• ECM重塑：调控胶原纤维（COL1A1）分布，促进心室肌细胞成熟与收缩力增强。
• 电生理：TRMPs表现出更长动作电位时程（APD），与心肌细胞同步钙瞬变。

2. TRMPs重塑心脏细胞组成

scRNA-seq显示：TRMPs促进心室肌细胞（VCM）、成纤维细胞（CF）、瓣膜细胞（VC）增殖，减少传导细胞（CC）、内皮细胞（ENC）等。

配体-受体分析：TRMPs通过SPP1-整合素轴与所有心脏细胞类型通讯，分泌SPP1+胞外囊泡（EVs），富含炎症、迁移、代谢相关蛋白。

四、机制解析：TRMPs如何参与心律失常？

1. 炎症激活TRMPs

NLRP3炎症小体激活：中高剂量炎症刺激下，TRMPs表达NLRP3、CASP1、IL-1β、IL-6、TNF-α，分泌促炎因子，形成ASC specks。

表型转化：从稳态（M0）向M1型极化，同时尝试通过IL-10进行负调控。

2. 心房肌细胞（ACM）电生理异常

心律失常表型：

• 自发性不规则节律（ectopic beats）
• 早期后除极（EADs）
• 延迟后除极（DADs）
• 自发钙升高（SCaEs）

机制：

• NLRP3激活导致钙处理异常（RYR2上调）
• ECM重塑（COL1A1、COL3A1、FN1上调）
• 细胞黏附分子VCAM1上调

药物验证：MCC950抑制NLRP3，显著减少EADs和ASC specks，部分恢复电生理稳定性。

五、疾病模型：房颤（AF）的体外重现

六、创新点

1. 首次在体外构建人源化心脏-巨噬细胞组合体，重现胚胎期TRMPs整合。
2. 首次将NLRP3炎症小体激活与人源心房心律失常直接关联。
3. 首次实现TRMPs-心肌细胞电耦合的活体成像与功能验证。
4. 首次在体外模型中重现房颤的免疫-电生理特征，并验证药物靶点。

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