北京
▲我國科學(xué)家構(gòu)建首個活體心臟起搏器模型（來源：中央廣播電視總臺）
心臟能夠持續(xù)而有規(guī)律地跳動，依賴于右心房中的“天然起搏器”——竇房結(jié)。它像心臟的“總指揮”，在神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)下持續(xù)發(fā)出電信號，并通過心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)，指揮心房和心室協(xié)調(diào)收縮、泵送血液。一旦這個“總指揮”失靈，心跳就可能變慢、停頓，嚴重時危及生命。
然而，竇房結(jié)體積極小、位置隱蔽，動物模型無法模擬人類心跳及神經(jīng)對心率的調(diào)控，想要研究這個“天然起搏器”并不容易。長久以來，在實驗室中打造接近真實的人類“生物起搏器”，一直都是難題。
近日，中國科學(xué)院分子細胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心等利用人多能干細胞，在培養(yǎng)皿中構(gòu)建了首個人源“生物起搏器”——竇房結(jié)類器官，并將其與心臟神經(jīng)叢類器官連接，實現(xiàn)了神經(jīng)對心律的調(diào)控。
▲我國科學(xué)家構(gòu)建首個人源“生物起搏器”（圖片由AI生成）
研究團隊通過模擬胚胎發(fā)育中的關(guān)鍵信號，經(jīng)過系統(tǒng)篩選，引導(dǎo)干細胞形成三維竇房結(jié)類器官，其能夠自主產(chǎn)生穩(wěn)定心跳。當其與心房樣類器官連接后，電信號可從竇房結(jié)一側(cè)發(fā)出，傳導(dǎo)至心房組織，成功模擬了體內(nèi)“起搏-傳導(dǎo)”過程。
借助這個模型，團隊在類器官中引入與家族性竇房結(jié)功能障礙相關(guān)的突變，發(fā)現(xiàn)這些“起搏器”跳動明顯變慢，重現(xiàn)了緩慢性心律失常的關(guān)鍵特征。特別是，經(jīng)過藥物處理后，異常節(jié)律得到改善，表明該模型不僅能幫助理解心率相關(guān)疾病的發(fā)生機制，還可用于評估潛在治療藥物。
但在人體真實心臟中，竇房結(jié)并非獨自工作，周圍神經(jīng)就像“調(diào)音師”，會根據(jù)身體狀態(tài)調(diào)節(jié)心率。
為模擬這一過程，團隊構(gòu)建了富含神經(jīng)元的心臟神經(jīng)叢類器官，將其與竇房結(jié)類器官和心房類器官組裝。實驗顯示，神經(jīng)纖維能夠延伸進入竇房結(jié)類器官，調(diào)節(jié)其跳動頻率，并將電信號傳導(dǎo)至下游心房組織。
研究還結(jié)合人胚胎竇房結(jié)的空間圖譜和體外干預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)，人類特異富集的神經(jīng)通路不僅調(diào)控心律，還促進起搏系統(tǒng)成熟：神經(jīng)元分泌的多功能糖蛋白PSAP仿佛一把“鑰匙”，作用于起搏細胞表面的受體分子GPR37，助力起搏細胞向成熟狀態(tài)發(fā)展。
這項研究在體外重建了人類心臟天然起搏系統(tǒng)及其神經(jīng)調(diào)控過程，為心律失常研究、藥物篩選和未來“生物起搏器”開發(fā)提供了重要工具。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(26)00158-X
來源：中央廣播電視總臺、中國科學(xué)院分子細胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心
責(zé)任編輯：侯茜
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