Pharmacological Research｜郑乐民、李扬团队建立可用于心律失常药物筛选的心脏类器官电生理仿真新平台

心律失常是全球主要致死原因之一，但现有研究模型存在明显缺陷：传统细胞实验难以模拟心脏组织电信号传导，模式动物与人体存在物种差异且实验周期较长，导致药物筛选困难和应用转化率低下。近日，北京大学基础医学院郑乐民教授、李扬副教授团队与北京大学第三附属医院祖凌云教授合作，通过标准化的电生理检测方案，全面评估了人源心脏类器官的电活动特征及药物易感性，为抗心律失常药物筛选提供了更接近人体真实情况的体外平台。相关成果以“Modeling cardiac electrical activity using cardiac organoids for drug screening”为题发表于Pharmacological Research。

研究团队利用人诱导多能干细胞（hiPSC），在超低吸附96孔板中成功构建了直径约1000-1500微米、包含1-2个腔室、具有规律搏动的心脏类器官，提示其形成了更接近真实心脏组织的三维结构。此外，免疫荧光染色和基因表达分析证实，团队使用血管化方法产生的心脏类器官不仅广泛表达心肌细胞标志物TNNT2，还含有血管内皮细胞和血管平滑肌细胞成分，为心律失常中细胞间互作机制的研究提供了新的工具。

进一步，团队与河南斯高电生理研究院合作，整合三项电生理检测技术，从不同维度解析心脏类器官“心跳”背后的电活动调控特征。微电极阵列（MEA）记录类器官整体的场电位，发现在特定的电极通道中类器官表现出类似心电图的周期性电活动，可见清晰的“QRS”波群。钙信号光学标测通过荧光成像观察钙瞬变的发生和传导，直观展现电信号在类器官中的传播。膜片钳分析在单个细胞层面记录动作电位，发现类器官中存在不同电活动表型的心室肌样细胞亚群。利用这一检测方案，研究团队测试了多种已知影响心脏节律的药物，验证了类器官的电生理可塑性。结果显示，hERG钾通道阻滞剂E-4031延长了类器官的动作电位时程；促动力药西沙必利和钠通道毒素ATX-II联合处理则诱发了心动过速样改变；异丙肾上腺素引起类器官电活动广泛增强。这些反应均与既往在体实验报道一致。

值得注意的是，研究团队将心脏类器官的钙信号特征与传统单层心肌细胞培养进行了对比，同时以豚鼠心脏切片作为组织参照。结果发现，心脏类器官的钙瞬变时程空间分布更接近真实心脏组织，而单层细胞培养则表现出过于规则的分布模式，提示类器官保留了心肌细胞电活动异质性——这正是心脏节律形成的理论基础。通过流式分选，团队验证了类器官中心肌细胞的基因差异化表达，如仅6%的细胞高表达心外膜标志物Cx43。为了探究细胞电活动异质性的形成机制，团队采用增强血管化策略，构建了内皮占比更高的iCardioids，并发现其钙瞬变时程显著缩短，提示内皮细胞可能调控邻近心肌细胞的电活动，为理解心脏组织中细胞间电耦联提供了新线索。

综上，该研究验证了心脏类器官作为新兴模型可用于模拟心脏组织电活动，为心律失常机制研究和药物筛选提供了一个稳定的中等通量平台。许多药物因可能引起QT间期延长和尖端扭转型室速而撤市或受限，如果能在药物研发早期利用心脏类器官进行筛查，将大大提高药物研发效率并降低风险。

北京大学基础医学院郑乐民教授、李扬副教授与北京大学第三医院祖凌云教授为该研究通讯作者，北京大学基础医学院郑乐民团队博后张琪、山东第二医科大学杨娜娜教授和北京大学基础医学院郑乐民团队陈嘉洪博士生为论文共同第一作者。该研究受国家重点研发计划、国家自然科学基金及北京市自然科学基金等项目资助。