高分辨率柔性納米電子技術(shù)，首次在搏動(dòng)心臟上捕獲心肌細(xì)胞顫動(dòng)信號(hào)

心臟組織工程已成為修復(fù)受損心肌的重要策略，尤其是利用人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來(lái)源的心肌細(xì)胞（hiPSC-CMs）進(jìn)行移植。然而，盡管技術(shù)不斷進(jìn)步，移植后的hiPSC-CMs常表現(xiàn)出未成熟表型，包括胎兒型肌節(jié)結(jié)構(gòu)、成人型肌球蛋白重鏈表達(dá)不足，以及易引發(fā)心律失常的自主搏動(dòng)現(xiàn)象。這些問(wèn)題成為其臨床應(yīng)用的主要障礙，尤其在大型動(dòng)物模型中觀察到可能致命的心室心律失常。

哈佛大學(xué)Richard T. Lee課題組、劉嘉課題組合作，探索了臨床已批準(zhǔn)的自組裝肽RADA16對(duì)hiPSC-CMs移植后血管化、肌節(jié)結(jié)構(gòu)和電生理適應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，RADA16能加速hiPSC-CMs向成人樣基因表達(dá)譜的轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)肌節(jié)組織并促進(jìn)移植部位的血管化。通過(guò)柔性網(wǎng)狀納米電子技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)首次在搏動(dòng)的心臟中捕捉到移植hiPSC-CMs的顫動(dòng)信號(hào)，并發(fā)現(xiàn)RADA16能顯著降低其自主搏動(dòng)性。這些發(fā)現(xiàn)不僅展示了自組裝納米纖維在推進(jìn)心臟細(xì)胞治療方面的潛力，也突顯了柔性納米電子技術(shù)在提升治療安全性方面的作用。相關(guān)論文以“Flexible nanoelectronics reveal arrhythmogenesis in transplanted human cardiomyocytes”為題，發(fā)表在

Nature Communications

研究首先通過(guò)基因表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，hiPSC-CMs在RADA16上培養(yǎng)時(shí)，表現(xiàn)出更高的成人型肌球蛋白重鏈MYH7與胎兒型MYH6的比值，以及更高的間隙連接蛋白基因GA11表達(dá)，而起搏細(xì)胞相關(guān)離子通道基因HCM4表達(dá)下降，提示RADA16促進(jìn)了細(xì)胞向成熟狀態(tài)發(fā)展。隨后，在大鼠左心室壁移植實(shí)驗(yàn)中，研究人員觀察到無(wú)論是單獨(dú)注射hiPSC-CMs還是與RADA16共注射，細(xì)胞均能成功定植并形成血管結(jié)構(gòu)。然而，RADA16組的血管化面積比例顯著更高，且通過(guò)GSL I灌注實(shí)驗(yàn)證實(shí)，新生血管與宿主血管實(shí)現(xiàn)了功能性吻合。

圖1. 注射人iPSC來(lái)源心肌細(xì)胞（hiPSC-CMs）在大鼠左心室壁的定植、血管化及宿主血管吻合情況。 （A）注射模型示意圖；（B）組織切片顯示hiPSC-CMs（hMito陽(yáng)性）和心肌肌鈣蛋白T（cTnT陽(yáng)性）；（C）血管內(nèi)皮標(biāo)志CD31顯示血管分布；（D）hiPSC-CMs定植面積統(tǒng)計(jì)；（E）血管化面積比例統(tǒng)計(jì)；（F）GSL I灌注示意圖；（G）GSL I與CD31共染色顯示血管吻合；（H）吻合血管面積比例統(tǒng)計(jì)。

圖2. RADA16處理加速hiPSC-CMs在大鼠左心室壁中肌節(jié)結(jié)構(gòu)的成熟。 （A）成人型與胎兒型肌節(jié)蛋白表達(dá)比例在7天和21天的變化；（B）第7天hiPSC-CMs中成人型肌節(jié)基因表達(dá)差異；（C）第21天表達(dá)差異消失。

空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析進(jìn)一步顯示，RADA16處理組在移植后第7天即出現(xiàn)明顯的成人型肌節(jié)蛋白基因（如MYH7和MYL2）表達(dá)上調(diào)，提示其加速了肌節(jié)成熟進(jìn)程。在結(jié)構(gòu)層面，移植后3個(gè)月的免疫熒光與肌節(jié)紋理分析（SOTA）表明，RADA16共注射組的hiPSC-CMs表現(xiàn)出更有序的肌節(jié)排列和更長(zhǎng)的肌節(jié)長(zhǎng)度，顯示出明顯的結(jié)構(gòu)成熟特征。此外，該組的血管化程度也顯著高于對(duì)照組。

圖3. 注射后7天和3個(gè)月時(shí)hiPSC-CMs的肌節(jié)組織與血管化情況。 （A、B）hiPSC-CM Alone組肌節(jié)結(jié)構(gòu)模糊，Haralick相關(guān)性曲線雜亂；（C、D）hiPSC-CM+RADA16組肌節(jié)結(jié)構(gòu)清晰，Haralick曲線呈現(xiàn)規(guī)律衰減正弦波；（E）肌節(jié)組織評(píng)分比較；（F）肌節(jié)長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)；（G）3個(gè)月時(shí)血管化免疫熒光圖像；（H）血管化面積比例統(tǒng)計(jì)。

在電生理方面，研究采用柔性網(wǎng)狀納米電極陣列記錄移植部位的電信號(hào)。結(jié)果顯示，單獨(dú)注射hiPSC-CMs的部位出現(xiàn)了心律失常性自主搏動(dòng)，表現(xiàn)為低振幅、長(zhǎng)時(shí)程的異常電信號(hào)；而RADA16共注射組則未檢測(cè)到此類異常節(jié)律。縱向追蹤進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，RADA16組的心律失常樣搏動(dòng)比例隨時(shí)間迅速下降，至135天時(shí)完全消失，其電信號(hào)特征與宿主竇性節(jié)律趨于一致。

圖4. 移植后80天使用柔性網(wǎng)狀納米電子記錄hiPSC-CM Alone與hiPSC-CM+RADA16組的電信號(hào)。 （A）記錄工作流程示意圖；（B）柔性電極陣列的顯微圖像；（C）記錄裝置在心臟上的放置情況；（D、E）參考部位與注射部位的原始電壓軌跡；（F）自動(dòng)搏動(dòng)信號(hào)的放大視圖；（G）電信號(hào)傳播延遲與峰值幅度熱圖。

圖5. 不同處理?xiàng)l件下心臟自動(dòng)性與竇性節(jié)律的比較。 （A）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖；（B）隨時(shí)間自動(dòng)搏動(dòng)比例變化；（C）竇性節(jié)律與自動(dòng)搏動(dòng)信號(hào)的時(shí)序圖；（D）自動(dòng)搏動(dòng)與竇性節(jié)律的間隔時(shí)間分布；（E）歸一化間隔時(shí)間統(tǒng)計(jì)；（F）自動(dòng)搏動(dòng)與竇性搏動(dòng)計(jì)數(shù)比例；（G）參考部位與注射部位功率譜密度對(duì)比。

綜上所述，本研究通過(guò)高分辨率柔性納米電子技術(shù)首次在小型動(dòng)物模型中實(shí)時(shí)捕捉到移植hiPSC-CMs所引發(fā)的心律失常，并證明RADA16自組裝肽能有效抑制這一現(xiàn)象，同時(shí)促進(jìn)細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的成熟。盡管當(dāng)前研究主要在健康心臟中進(jìn)行，未來(lái)需在缺血等病理模型中進(jìn)一步驗(yàn)證其治療效果，但這一技術(shù)為心臟細(xì)胞治療的安全性評(píng)估提供了重要工具，也為推動(dòng)hiPSC-CMs的臨床應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請(qǐng)?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>