人类心脏“生物起搏器”类器官问世
人类心脏“生物起搏器”类器官问世
中国 科学院 分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）研究员曾安团队联合复旦大学附属中山医院主任医师罗哲团队、同济大学附属妇产科医院主任医师杜美蓉团队，在培养皿中构建了首个人源“生物起搏器”——窦房结类器官，并将其与心脏神经丛类器官连接，实现了神经对心跳的调控。相关研究成果5月15日发表于《细胞-干细胞》。
心脏能够持续而有规律地跳动，依赖于右心房中的“天然起搏器”，即窦房结。它像心脏的“总指挥”，在神经系统调节下持续发出电信号，并通过心脏传导系统这套“线路”，指挥心房和心室协调收缩、泵送血液。一旦这个“总指挥”失灵，心跳可能变慢、停顿，严重时会危及生命。
然而，研究这一“天然起搏器”并不容易。窦房结体积极小、位置隐蔽，人体样本很难获得，小鼠等动物模型则无法准确模拟人类心跳及神经对心律的调控。如何在实验室中打造接近真实的人类“生物起搏器”，一直是心脏起搏和传导研究中的重要挑战。
研究团队通过模拟胚胎发育中的关键信号，并经过系统筛选，引导干细胞形成三维窦房结类器官，能够自主产生稳定心跳。当其与心房样类器官连接后，电信号可从窦房结一侧发出，传导至心房组织，成功模拟了体内“起搏—传导”过程。
进一步地，研究人员探索了心律失常的发生机制。在类器官中引入与家族性窦房结功能障碍相关的突变后，“起搏器”跳动明显变慢，由此重现了缓慢性心律失常的关键特征。而经过药物处理后，异常节律得到了改善，表明该模型不仅能帮助理解心率相关疾病的发生机制，还可用于评估潜在治疗药物。
真实心脏中，窦房结的周围神经就像“调音师”，会根据身体状态调节心率。为模拟这一过程，研究团队构建了富含神经元的心脏神经丛类器官，并与窦房结类器官和心房类器官组装。
实验结果显示，神经纤维能够延伸进入窦房结类器官，调节其跳动频率，并将电信号传导至下游心房组织。值得一提的是，人类特异的神经通路不仅调控心率，还促进起搏系统成熟。研究团队结合人胚胎心脏窦房结区域的空间转录组分析，绘制了人类窦房结及其周围神经微环境的空间分子图谱。人类窦房结起搏细胞中特异性富集表达G蛋白偶联受体37（GPR37），而GPR37的配体鞘脂激活蛋白原（PSAP）则主要来源于邻近神经元。PSAP仿佛一把“钥匙”，作用于起搏细胞表面的GPR37，推动起搏细胞向成熟状态发展。