今天的心率比以往任何時候都更容易監測。由于智能手表可以感應脈搏，你只需要快速轉動手腕就能檢查你的心臟。但監測負責心率的細胞更具挑戰性，這鼓勵了研究人員發明新的方法來分析它們。
Joseph Wu，醫學博士，斯坦福心血管研究所主任，醫學和放射學教授，設計了一種新的干細胞衍生的心臟組織模型，該模型提供了對心臟細胞失去控制時突然出現的情況的見解。特別是，吳正在研究一種叫做心動過速的疾病，這種疾病會增加心率，并可能導致心肌病，在這種情況下，心臟結構健康的人的心臟失去了充分泵血的能力。
“心動過速可能比我們想象的更常見，”幫助領導這項工作的博士后學者涂成義博士說。“人們認為這種情況沒有得到充分診斷，因為心率加快在不同類型的心臟病中都很常見，而且被掩蓋了。”
為了研究心動過速引起的心肌病，研究人員從人類干細胞中提取心臟細胞，以揭示我們身體的引擎在超速行駛時是如何運行的。
“用人類干細胞衍生的心臟組織模擬心動過速引起的心肌病，使我們能夠更好地理解快速心率對我們身體的影響，”該研究的資深作者、醫學博士、教授Simon H. Stertzer說。該研究發表在11月27日的《自然生物醫學工程》雜志上。屠是第一作者。
與大多數類型的器官組織不同，心臟細胞極難在實驗室中培養。在培養皿中培養的患者心臟細胞往往會去分化，即失去其主要功能，無法跳動。
“理想情況下，你想要在疾病診斷后，疾病期間和治療后采集患者的心臟樣本，”Tu說。“為了驗證你的發現，你需要大量的重復來給你統計上的力量，但在臨床上，不可能如此頻繁地取樣。”
考慮到組織的缺乏，吳和他的同事們從干細胞中培養了400多個心臟組織樣本，以觀察心臟細胞的功能，這個過程持續了四年多。
“制造工程心臟組織與在培養皿中培養細胞非常不同。時間很長。”從干細胞中生成心臟細胞大約需要兩周時間;將它們組裝成3D組織并使其成熟需要近兩個月的時間。
研究人員使用一個帶電線的腔室，電刺激細胞，誘發心動過速。他們測試了這些細胞能否在10天內從心動過速中恢復過來。在最初的五天里，細胞持續收縮的能力下降到正常功能的50%左右。但一旦研究人員停止電刺激，這些細胞在5天內就完全恢復了。
這與醫生已經知道的心動過速引起的心肌病是一致的——它大多是可逆的。當一個人的心率減慢時，他們的心臟組織功能就會恢復正常。
在另一項實驗中，研究人員在另一組工程心臟組織中誘導心動過速。然后，在停止刺激后，研究小組用NAD(一種支持能量反應的分子)補充了這些組織，結果發現心臟細胞的功能恢復得更快。到第一天，補充組的組織恢復了83%的原始功能，而未治療組幾乎沒有改善。
為了驗證他們的發現，研究小組將工程心臟組織與臨床人類數據和犬模型數據進行了比較。他說:“我很驚訝這種人造心臟組織能很好地模仿人類的心臟。”
在心動過速期間，心臟可能很難將血液泵到身體的其他部位，因為快速的心率阻止了心臟的腔室充滿和完全收縮。如果持續數天或數周(嚴重的情況下可能會發生)，血管就會停止向心臟組織和身體其他部位供應足夠的氧氣。
正常跳動時，心臟使用脂肪作為能量來源，但分解脂肪需要大量氧氣。在沒有氧氣的情況下，心臟的燃料來源會在新陳代謝重組的過程中轉換成糖。燃料轉換和缺氧，或缺氧，導致NAD/NADH比率的降低，這是一個重要的化學組合，有助于維持心臟組織中被稱為SERCA的蛋白質的功能。
“SERCA蛋白的不同水平就像汽車的油門和剎車踏板，”Tu說。當研究人員增加NAD的數量時，心臟的油門踏板被推了起來，SERCA蛋白加強了工程細胞的心跳。當減少時，經過改造的心臟組織就會踩剎車，使它們跳動得更弱。
臨床醫生相信，通過現成的補充劑或靜脈注射給病人NAD，他們可以恢復化學平衡，加速病人的康復。
除了一種可能幫助患者從心動過速中恢復的新補充劑外，這項研究還證明了新方法對疾病建模的重要性。去年，喬·拜登總統簽署了《FDA現代化法案2.0》，取消了在進行人體藥物試驗之前必須進行動物試驗的要求。
“現在，我們更需要非動物模型來補充動物模型，”屠說。“這項工作證明，使用通用的非動物模型來研究這種疾病并測試可能的治療方法，是有可能模擬復雜的心臟病的。”
更多信息:涂成義等，心動過速誘導的代謝重組作為收縮功能障礙的驅動因素，自然生物醫學工程(2023)。DOI: 10.1038/s41551-023-01134-x期刊信息:自然生物醫學工程由斯坦福大學醫學中心提供引文:工程人類心臟組織向研究人員展示了心動過速的機制(2023,12月19日)，檢索自2023年12月20日https://medicalxpress.com/news/2023-12-human-heart-tissue-mechanics-tachycardia.html。除為私人學習或研究目的而進行的任何公平交易外，未經書面許可，不得轉載任何部分。內容僅供參考之用。
