机械力学刺激已成为诱导 iPSC/ESC 来源心肌细胞体外成熟的核心技术手段

一、研究背景与研究意义

（一）现有模型缺陷

传统动物模型无法复刻人类心脏结构与生理特征（如小鼠心率是人类 10 倍），难以模拟人类正常心脏与心脏疾病状态，药物研发可靠性不足。

目前主流体外心脏模型基于诱导多能干细胞（iPSCs），可构建细胞球、类器官、器官芯片等体系，但心肌细胞完全成熟为成体表型的目标尚未实现，是领域核心瓶颈。

（二）心肌细胞成熟的常用干预手段

除本文重点的机械刺激外，主流策略还包括：心肌细胞与成纤维细胞、内皮细胞共培养、生化因子调控、电刺激、长期培养等。

（三）心脏天然力学环境（机械刺激的仿生依据）

心脏发育及出生后会持续承受多种力学信号，也是本研究仿生设计的核心参考：

• 血流产生的剪切应力（血管形成后出现）；
• 心跳收缩 - 舒张带来的循环应变；
• 血压升高引发的静水拉伸（出生后）；
• 细胞外基质（ECM）弹性模量变化：新生心脏组织＜10 kPa，成体心脏组织 15~30 kPa。

（四）BiomimX S.r.l.解读

BiomimX S.r.l. 是依托米兰理工大学成立的意大利生物仿生科技企业，深耕生物微组织、器官芯片、力学仿生培养平台等方向。本文研究成果属于米兰理工大学学术研究与 BiomimX 产业转化相结合的范畴，文中多款心脏微组织力学刺激平台、3D 心脏模型、心脏芯片技术，均为该公司核心技术研发方向。北京基尔比生物为该公司中国区授权销售单位。

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二、核心研究内容：机械刺激的两大分类及应用

文章将心脏微组织的机械刺激分为被动刺激和主动刺激两大体系，同时汇总了全球相关研究的实验参数

（一）被动机械刺激（Passive stimulation）

定义：无动态外力加载，通过调控培养基底、静态应力实现力学干预，操作简单、易调控，适用于 2D/3D 心脏模型，可用于生理建模与病理建模。分为三大方向：基底刚度、基底拓扑结构、静态 / 渐进式拉伸。

基底刚度调控 ，核心原理：模拟心脏 ECM 弹性模量，是调控心肌细胞成熟的关键参数。

• 大鼠新生心室肌细胞（NRVM）：聚丙烯酰胺（PA）凝胶 10 kPa 刚度最优，可促进细胞排列、增强钙瞬变与肌浆网钙储存（对比 1/5/25/50 kPa）；
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• 人胚胎干细胞来源心肌细胞（hESC-CMs）：聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底21 kPa效果最佳，细胞铺展面积增大、双核细胞比例提升、钙信号强度增强；
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• 病理应用：纤维化组织刚度约 35 kPa，可用于杜氏肌营养不良（DMD）心肌病模型构建。

 

 

基底拓扑结构调控：通过微图案、3D 打印微沟槽改变细胞排布，优化心肌各向异性与电信号传导：

#PDMS 微线图案：18~24 μm 宽度的线条结构，可提升 hESC-CMs 结构与功能特性

#3D 打印 “心脏贴片（cardiopatch）”：60 μm 间距微沟槽，实现 NRVM 有序排列，动作电位传导纵横比最优

#细胞密度协同作用：高密度培养（≈1000 cells/mm²）可进一步提升肌节长度、双核化比例与钙瞬变速度。

3D 模型的静态 / 渐进式拉伸：应用于胶原、纤维蛋白水凝胶支架及无支架心脏微组织，是当下主流 3D 培养方案：

• 静态拉伸：将 hiPSC-CMs 微组织固定长度培养 2 周，促进细胞排列、心肌肥大、收缩力与被动刚度提升；
• 渐进式拉伸：每日 0.32 mm 拉伸幅度（21 天），心肌收缩力达 11.3 mN/mm²、肌节长度 2.2 μm，成熟效果显著（同步联合电刺激、搅拌供氧）；
• 无支架体系：心肌细胞 + 15% 成纤维细胞 + 15% 内皮细胞共培养，12.5% 单轴静态拉伸 4 周，肌节长度从 1.51 μm 增至 1.90 μm，心肌成熟标志物（MYH7、CASQ2、SERCA2）上调，同时调控成纤维细胞 ECM 重塑。

局限性：渐进式拉伸易造成组织位移过大、结构破损；极端力学刺激会激活成纤维细胞向肌成纤维细胞转化，诱发心肌纤维化。

（二）主动机械刺激（Active stimulation）

定义：施加动态、周期性力学载荷，精准模拟心脏收缩 / 舒张的动态力学环境，包含循环拉伸、压缩、剪切应力、灌注流等，多与电刺激联用，平台集成度更高，也是 BiomimX 核心技术落地领域。

2.1 循环拉伸（应用最广泛）依托气动、介电弹性体、微流控等平台，模拟心动周期应变，适配 2D 单层细胞与 3D 微组织：

• 2D 培养平台：1）MaMEA（力学主动多电极阵列）：介电弹性体驱动 PDMS 膜实现单轴拉伸 / 压缩，同步检测电信号，适用于 NRVM 电 - 力学联动研究；
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• 2）BeatS-α（3D 打印设备）：负压驱动膜拉伸，5% 循环应变促进人多能干细胞向心肌分化，8% 应变可诱导 hiPSC-CMs 肌节定向排列；
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• 3）气动拉伸平台：15%~20% 应变（1 Hz）显著提升肌节长度、MYH7表达与收缩能力。
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• 3D 心脏微组织 / 类器官：1）心脏芯片（Beating heart-on-chip）：米兰理工大学与 BiomimX 联合研发方向，PDMS 膜提供 1 Hz、10% 单轴循环拉伸，培养 NRVM/hiPSC-CMs 微组织，实现自发同步搏动、收缩阈值降低、收缩幅度与速度提升，还可复刻心肌纤维化病理特征；
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• 2）环形工程心肌组织：1 Hz、10% 循环拉伸 4 天，细胞排列、成熟标志物、收缩力全面优于静态培养组。
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2.2 压缩与剪切应力，研究案例相对较少，主要模拟心脏压力负荷与血流环境：

• 循环压缩 + 剪切应力：海藻酸盐支架培养大鼠心肌细胞，每日 30 min 间歇性压缩（1 Hz，15% 应变），细胞形态更规整，肌动蛋白、N - 钙粘蛋白等标志物保留更完整；持续压缩会导致细胞形态圆形化、功能受损；
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• 灌注剪切应力：1.4~2.16 dynes/cm² 血流剪切力，联合电刺激可提升 2D/3D 心肌细胞排列与功能。
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2.3 电 - 机械联合刺激，主流优化方案，多篇实验证实协同效应：循环拉伸 + 电刺激可进一步提升心肌同步搏动能力、电生理成熟度，该集成化芯片平台为BiomimX 重点研发产品，已应用于药物心脏毒性筛选。

（三）机械刺激在心脏疾病模型中的应用（病理建模）

本文系统梳理了利用非生理性机械刺激构建各类心脏疾病体外模型的方案，是体外病理机制研究、药物筛选的核心场景，部分模型技术由米兰理工大学与 BiomimX 共同转化：

3.1 心肌病模型

• 杜氏肌营养不良（DMD）心肌病：纤维化刚度（35 kPa）基底会导致 DMD 患者 iPSC-CMs 收缩功能障碍，10 kPa 基底可保留疾病表型；
• 扩张型心肌病：肌联蛋白（Titin）突变 hiPSC-CMs，在刚性悬臂（0.45 mN/μm）高力学负荷下，心肌适应能力显著受损；
• 肥厚型心肌病：高压负荷、高频拉伸（5 Hz，5%~15% 应变）诱导心肌肥大，胎儿基因（ANP、MYH7）激活，呈现病理表型。

3.2 压力 / 容量负荷模型（心脏芯片 CTCs），精准模拟两种临床常见病理负荷：

• 压力负荷（肥厚型心肌病）：1 Hz，收缩压 160 mmHg、舒张压 10 mmHg，0~2% 应变，上调 I 型胶原、TGF-β，诱发心肌肥厚与纤维化；
• 容量负荷（扩张型心肌病）：1 Hz，收缩压 100 mmHg、舒张压 30 mmHg，2~7% 应变，结蛋白过表达，组织变薄、拉长，复刻扩张型心肌病理特征。

3.3 心肌纤维化模型，力学负荷调控成纤维细胞表型：生理应变（5%~10%）抑制肌成纤维细胞活化；病理应变（10%~20%）促进活化、ECM 过度沉积，形成纤维化表型。该动态纤维化芯片为 BiomimX 代表性病理模型平台。

3.4 心衰模型，高频高幅循环拉伸（3 Hz，10% 应变），导致肌球蛋白亚型比例异常、心肌细胞形态紊乱、肌节排列错位，模拟衰竭心肌特征。

 

 

 

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四、实验参数汇总

整理文中不同细胞、力学条件、培养时长、联合刺激的核心实验参数，便于参考：

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北京基尔比微重力培养系统

五、总结

 

1. 机械刺激是诱导 iPSC/ESC 来源心肌细胞体外成熟的核心手段，分为被动、主动两大体系，分别适配不同研究场景：被动刺激侧重基底微环境调控，简单易规模化；主动刺激动态模拟心脏心动周期，仿生度更高。
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3. 刚度（10~30 kPa）、5%~10% 生理循环应变、合理拓扑结构是促进心肌成熟的最优生理力学参数；超出该范围的力学信号会诱发肥厚、纤维化、心衰等病理表型。
4.  
5. 心肌细胞与成纤维细胞、内皮细胞共培养，结合电刺激、机械刺激的多因素联用，成熟效果远优于单一刺激。
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7. 机械刺激模型已成熟应用于多种遗传性、获得性心脏疾病建模，为机制研究、高通量药物筛选提供了替代动物模型的优质方案。
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9. 将实时光学成像、柔性微柱、在线电生理监测集成至力学刺激平台，实现成熟过程动态量化，是 BiomimX 技术迭代重点

 

附：

北 京 基 尔 比 生物 科技公司 主营产品：

AnimFree 体外类器官气溶胶暴露装置

Kirkstall 3D细胞类器官串联式自动灌流系统，

BiomimX uBeat®多功能动态器官芯片系统

Kilby Gravity 微重力旋转细胞类器官培养系统RCCS，

动植物/微生物等地面重力环境模拟装置【可以定制】，

Kilby Bio 高通量类器官精密摇摆仪