摘要：射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）在心衰中的占比已接近50%，但其发病机制复杂多样，目前诊断与治疗尚未达成系统性共识，其体外研究模型的缺乏更是加剧了这一难题。

射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）在心衰中的占比已接近50%，但其发病机制复杂多样，目前诊断与治疗尚未达成系统性共识，其体外研究模型的缺乏更是加剧了这一难题。

文章介绍

2025年1月，来自以色列理工学院的Oren Caspi团队在1区7.9分期刊Circulation: Heart Failure发表了题为《使用人类诱导的多能干细胞衍生的心脏类器官模拟射血分数保留的心力衰竭》的研究性文章，介绍了一种新型的HFpEF体外类器官模型。该模型忠实地再现了HFpEF的病理生理学特征，有助于确定新的治疗靶点。

由此看来，类器官技术或成为心衰研究的突破关键！让我们一起解读这篇文章中运用的新技术，探讨其对HFpEF治疗的重要意义！

#1

研究背景

Background

心衰影响着世界上超过2%的人口，其高发病率和高死亡率令人担忧。根据左心室射血分数（LVEF）可将心衰分为三类：射血分数降低的心衰（HFrEF）、射血分数轻度降低的心衰（HFmrEF）和射血分数保留的心衰（HFpEF）。目前几乎没有可以改善HFpEF患者预后的治疗方法。

HFpEF表现为心脏舒张功能受损，包括主动松弛异常和室壁运动僵硬。这种表现与各种细胞内机制有关，包括钙处理缺陷、氧化应激导致的内质网应激和线粒体功能障碍等。此外，高血压、肥胖和糖尿病均显著HFmrEF的发病风险。

本研究旨在开发一种受多种已知发病因素影响的新型体外人类HFpEF类器官模型，为疾病机制探索和药物研发提供有力工具。

#2

研究思路

Methods

本研究将人诱导多能干细胞（hiPSC）来源的心肌细胞及由其培养形成的人心脏类器官（hCO）置于模拟肥胖相关炎症、糖尿病和高血压的环境中培养，从而在体外诱导HFpEF。作者采用免疫荧光、Masson染色观察心肌细胞肥大和纤维化情况，用力传感器与长度控制器评估心肌长度-收缩力动力学，用共聚焦显微镜对单细胞中的Ca²⁺转移情况进行光学分析，用RT-qPCR检测氧化应激和代谢相关基因表达，NT-proBNP、ROS、ATP和细胞基础耗氧率定量检测，对此模型进行功能验证。

#3

研究结果

Results

1. 微型类器官的超微结构分析

首先，作者在模拟肥胖、糖尿病和高血压的条件下培养类器官并观察其形态（图1A）。分别在肥胖、高血压和糖尿病模拟条件下暴露1周后，类器官在最大舒张状态下的横截面积均增大。另外，与单独暴露组相比，同时暴露于3种条件导致的类器官横截面积增加最为显著（图1C）。

对类器官进行心肌肌钙蛋白T（cTnT）和DAPI染色，可见心肌细胞密度和存活情况良好（图1B）。与正常条件培养的类器官相比，在高血压和糖尿病模拟条件下的细胞三维体积未见明显变化，但肥胖模拟条件下培养的细胞体积减小，同时暴露于3种条件的细胞体积增大（图1D）。

接下来作者应用Masson染色观察类器官的纤维化情况。同时暴露于3种条件的类器官可见明显胶原沉积，其纤维化程度显著高于正常条件培养的微型类器官（图1E-F）。

以上实验证实了同时暴露于肥胖、糖尿病和高血压条件下的类器官存在肥大和纤维化这两个HFpEF的关键特征。联合暴露于以上三种条件可作为后续诱导HFpEF的实验条件。

图1E和F

2. hCO中HFpEF相关特征的心衰评估

为了进一步研究HFpEF诱导条件对心脏复杂生理特性的影响，作者使用大型环状类器官模型、力传感器与长度控制器评估了心肌长度-收缩力动力学（图2A）。在对不同前负荷组织长度下心肌被动力的评估分析中发现，被动力与前负荷组织长度之间存在线性相关。与对照组相比，HFpEF诱导组回归模型的斜率明显更高，表明HFpEF诱导使hCO的组织硬度增加（图2B-C）。HFpEF类器官的最大被动力显著高于对照组（图2D）。然而，主动力随长度变化的斜率在HFpEF-hCO与对照组之间并无显著差异（图2E）。在暴露于HFpEF诱导条件后，hCO的NT‑proBNP水平显著升高（图2F）。暴露于HFpEF诱导条件后，hCO展现出明显的细胞肥大（图2G）。

图2

3. HFpEF诱导心力衰竭的舒张期评价

作者发现HFpEF诱导使hCO的舒张时间常数τ显著增大，提示舒张期延长（图3A）。为阐明舒张期延长是否与细胞钙处理异常有关，作者利用共聚焦显微镜对单细胞中的Ca²⁺转移情况进行了光学分析（图3B）。暴露于HFpEF诱导条件会导致心肌细胞舒张期Ca²⁺从细胞质中清除的时间延长（图3C）。但是与对照组相比， HFpEF诱导组的心肌细胞中肌浆/内质网钙离子ATP酶（SERCA）的表达并无显著变化（图3D）。

图3

4. 在HFpEF模拟条件下心肌细胞的氧化应激和能量学评估

氧化应激介导了与HFpEF相关的多种病理生理机制，包括ROS生成增加、线粒体功能障碍和能量状态受损。因此，作者检测到hCO中的氧化应激情况。暴露于HFpEF诱导条件后，细胞ROS生成、内质网压力相关基因XBP1u（unspliced XBP1）表达、基础耗氧率（OCR）升高，细胞内ATP含量下降，提示细胞发生氧化应激和代谢功能障碍（图4）。

图4

小结

本研究中，作者构建了一种全新的人HFpEF类器官模型，其如实再现了HFpEF的结构、功能、电生理及机制等方面的特征。该模型中，模拟肥胖、糖尿病和高血压共病的环境会产生协同效应，使暴露在该环境中的心脏类器官最终表现为细胞氧化应激和代谢异常，细胞和组织肥大、超微结构纤维化和舒张异常。

疾病模型对于深入了解人类疾病的病理生理学至关重要，对于确定新的治疗靶点和药物开发不可或缺。基于人类器官构建的HFpEF模型的推出将有助于发现该疾病的新型治疗靶点。

参考文献

Haim IR, Gruber A, Kazma N, Bashai C, Lichtig Kinsbruner H, Caspi O. Modeling Heart Failure With Preserved Ejection Fraction Using Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiac Organoids. Circ Heart Fail. Published online January 28, 2025. doi:10.1161/CIRCHEARTFAILURE.124.011690

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来源：培养盒守护者