在修復(fù)受損心肌的研究領(lǐng)域，心臟組織工程已成為關(guān)鍵策略，其中利用人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞分化而來的心肌細(xì)胞（hiPSC-CMs）進(jìn)行移植是重要方向。但當(dāng)前技術(shù)仍存在瓶頸：移植后的hiPSC-CMs往往呈現(xiàn)未成熟特性，具體表現(xiàn)為肌節(jié)結(jié)構(gòu)停留在胎兒階段、成人型肌球蛋白重鏈表達(dá)量不足，且存在自主搏動(dòng)現(xiàn)象——這一現(xiàn)象易誘發(fā)心律失常，成為其臨床轉(zhuǎn)化的主要阻礙。尤其在大型動(dòng)物模型中，該問題已被觀察到可能導(dǎo)致致命性心室心律失常。

為解決這一難題，哈佛大學(xué)Richard T. Lee課題組與劉嘉課題組展開合作，聚焦臨床已獲批的自組裝肽RADA16，系統(tǒng)探究其對hiPSC-CMs移植后的血管化進(jìn)程、肌節(jié)結(jié)構(gòu)成熟度及電生理適應(yīng)性的影響。研究結(jié)果表明，RADA16能有效推動(dòng)hiPSC-CMs的基因表達(dá)譜向成人型轉(zhuǎn)變，同時(shí)增強(qiáng)肌節(jié)組織的規(guī)整性，并促進(jìn)移植區(qū)域的血管生成。

更值得關(guān)注的是，研究團(tuán)隊(duì)借助柔性網(wǎng)狀納米電子技術(shù)，首次在處于搏動(dòng)狀態(tài)的心臟中成功捕捉到移植hiPSC-CMs產(chǎn)生的顫動(dòng)信號。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，RADA16可顯著降低該細(xì)胞的自主搏動(dòng)性，從而減少心律失常風(fēng)險(xiǎn)。這些發(fā)現(xiàn)不僅證實(shí)了自組裝納米纖維在推動(dòng)心臟細(xì)胞治療發(fā)展中的潛力，也凸顯了柔性納米電子技術(shù)在提升細(xì)胞治療安全性方面的關(guān)鍵作用。

該研究成果以“Flexible nanoelectronics reveal arrhythmogenesis in transplanted human cardiomyocytes”為題發(fā)表于《Science》期刊，論文第一作者為Junya Aoyama、Ren Liu與Xinhe Zhang。

研究內(nèi)容

該研究首先通過基因表達(dá)分析展開探究，結(jié)果顯示：當(dāng)人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來源的心肌細(xì)胞（hiPSC-CMs）在自組裝肽RADA16上培養(yǎng)時(shí)，其成人型肌球蛋白重鏈基因（MYH7）與胎兒型肌球蛋白重鏈基因（MYH6）的表達(dá)比值顯著升高，間隙連接蛋白基因（GA11）的表達(dá)水平也有所提升，同時(shí)起搏細(xì)胞相關(guān)的離子通道基因（HCM4）表達(dá)量下降。這些基因表達(dá)的變化表明，RADA16能夠推動(dòng)hiPSC-CMs向成熟狀態(tài)分化。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)在大鼠左心室壁開展移植實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，無論是單獨(dú)注射hiPSC-CMs，還是將hiPSC-CMs與RADA16共同注射，移植細(xì)胞均能在大鼠左心室壁成功定植，并且形成血管結(jié)構(gòu)。不同的是，與RADA16共注射的實(shí)驗(yàn)組，其血管化面積比例明顯更高；進(jìn)一步的GSL I灌注實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，該組中新生的血管已與宿主自身血管建立起功能性吻合，實(shí)現(xiàn)了有效的血液流通。

研究團(tuán)隊(duì)通過空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析進(jìn)一步驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：經(jīng)RADA16處理的實(shí)驗(yàn)組，在細(xì)胞移植后的第7天，成人型肌節(jié)蛋白相關(guān)基因（例如MYH7與MYL2）的表達(dá)便出現(xiàn)顯著上調(diào)。這一結(jié)果直接表明，RADA16能夠有效加速hiPSC-CMs的肌節(jié)成熟進(jìn)程。

在細(xì)胞結(jié)構(gòu)成熟度的驗(yàn)證上，研究人員對移植后3個(gè)月的樣本進(jìn)行了免疫熒光檢測與肌節(jié)紋理分析（SOTA）。結(jié)果顯示，與RADA16共注射的hiPSC-CMs組，不僅肌節(jié)排列更為規(guī)整有序，肌節(jié)長度也明顯更長，呈現(xiàn)出典型的結(jié)構(gòu)成熟特征。除此之外，該實(shí)驗(yàn)組的血管化程度同樣顯著優(yōu)于未添加RADA16的對照組，進(jìn)一步印證了RADA16在促進(jìn)移植細(xì)胞存活與功能成熟中的積極作用。

在電生理功能評估環(huán)節(jié)，研究團(tuán)隊(duì)采用柔性網(wǎng)狀納米電極陣列，對移植區(qū)域的電信號進(jìn)行了精準(zhǔn)記錄。結(jié)果顯示，僅單獨(dú)注射hiPSC-CMs的實(shí)驗(yàn)組，其移植部位出現(xiàn)了具有心律失常特征的自主搏動(dòng)，具體表現(xiàn)為電信號振幅偏低且持續(xù)時(shí)間較長，呈現(xiàn)明顯異常；而將hiPSC-CMs與RADA16共注射的實(shí)驗(yàn)組，未檢測到這類異常節(jié)律信號。  為進(jìn)一步驗(yàn)證長期效果，研究團(tuán)隊(duì)開展了縱向追蹤觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，RADA16共注射組中，呈現(xiàn)心律失常樣搏動(dòng)的比例隨時(shí)間推移快速下降，到移植后135天時(shí)，這類異常搏動(dòng)已完全消失，且該組移植部位的電信號特征，與宿主心臟的竇性節(jié)律愈發(fā)接近，表明其電生理功能逐步與宿主心臟實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)。  

總結(jié)與展望

綜合以上研究結(jié)果可見，本研究借助高分辨率柔性納米電子技術(shù)，在小型動(dòng)物模型中首次實(shí)現(xiàn)了對移植hiPSC-CMs所誘發(fā)心律失常的實(shí)時(shí)捕捉。同時(shí)明確證實(shí)，自組裝肽RADA16不僅能有效抑制這類心律失常現(xiàn)象，還可顯著促進(jìn)移植細(xì)胞在結(jié)構(gòu)與功能上的成熟進(jìn)程。

需要注意的是，當(dāng)前研究主要基于健康心臟模型開展，因此未來還需在缺血等病理狀態(tài)的心臟模型中，進(jìn)一步驗(yàn)證該方案的治療效果。即便如此，本研究仍具有重要意義：一方面，所采用的柔性納米電子技術(shù)為心臟細(xì)胞治療的安全性評估提供了關(guān)鍵工具；另一方面，也為推動(dòng)hiPSC-CMs向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw4612

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