《Advanced Science》：3D Bioprinted Fat-Myocardium Model Unravels the Role of Adipocyte Hypertrophy in Atrial Dysfunction
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本文推荐一篇创新性研究，该研究通过建立人源3D生物打印脂肪-心肌共培养模型，首次在体外模拟了肥胖状态下心外膜脂肪组织（EAT）肥大与心房心肌细胞（a-iCMs）功能障碍的相互作用。该平台成功揭示了脂肪细胞肥大通过旁分泌和细胞接触依赖机制，导致心房心肌细胞代谢紊乱（如胰岛素抵抗、线粒体功能受损）、电生理异常（如连接蛋白Cx43下调、钙处理失调）及收缩功能下降的具体路径。研究进一步利用此模型验证了二甲双胍（Metformin）通过激活AMPK信号通路改善心肌细胞功能的治疗潜力。这项工作为研究肥胖相关心房功能障碍的机制和药物筛选提供了高通量、高仿生的新型研究工具。
3D肥大脂肪细胞展现肥胖特征
研究首先成功构建了模拟健康（3D Adi）和肥胖（3D OAdi）状态的3D生物打印脂肪细胞模型。通过棕榈酸（PA）诱导脂肪细胞肥大，3D OAdi表现出典型的肥胖特征：脂滴显著增大、细胞骨架F-肌动蛋白结构改变。功能上，3D OAdi基础脂解活性增强，甘油释放量显著高于3D Adi。其分泌组分析显示促炎细胞因子MIF、IL-8和IL-6水平显著升高，且瘦素/脂联素比率超过0.5的阈值，呈现促炎和激素失衡状态。更重要的是，3D OAdi的胰岛素受体（INSR）表达下调，并且对胰岛素刺激的葡萄糖摄取反应丧失，表明出现了胰岛素抵抗。这些结果证实，该模型在没有免疫细胞参与的情况下，成功复现了肥胖脂肪细胞的关键病理生理学特征。
3D肥大脂肪细胞分泌组诱导心房心肌细胞代谢功能障碍
研究人员随后探究了3D Adi和OAdi条件培养基（ConM）对hiPSC来源的心房心肌细胞（a-iCMs）代谢功能的旁分泌影响。线粒体压力测试显示，与3D Adi ConM处理相比，3D OAdi ConM处理的a-iCMs基础呼吸、最大呼吸能力、备用呼吸容量、耦合效率以及线粒体ATP产生（mitoATP）均显著降低。同时，JC-1染色显示线粒体膜电位下降，CellROX检测表明活性氧（ROS）产生增加。糖酵解功能分析进一步揭示，3D OAdi ConM处理的a-iCMs糖酵解能力和糖酵解储备受损，表现出代谢灵活性下降。相比之下，3D Adi ConM处理的a-iCMs则表现出向氧化磷酸化（OXPHOS）的代谢转变，线粒体功能增强，同时保留了较高的糖酵解储备，提示健康脂肪细胞分泌组有助于a-iCMs的能量代谢成熟。
3D肥大脂肪细胞分泌组改变2D a-iCMs的心脏功能
代谢功能障碍直接影响了a-iCMs的收缩特性。视频搏动分析表明，3D OAdi ConM处理的a-iCMs搏动速度显著减慢，搏动汇合度降低。钙瞬变分析显示，其钙瞬变峰值时间（TTP）变异性增加，提示钙处理过程可能出现紊乱。此外，尼罗红染色发现3D OAdi ConM处理的a-iCMs出现明显的细胞内脂肪异位堆积，这可能是导致其线粒体功能障碍和收缩力下降的重要原因。
工程化与表征3D脂肪-心肌模型
为了更真实地模拟体内EAT与心肌的解剖邻接关系，研究团队构建了3D生物打印的同心圆模型，将a-iCMs打印在预制的3D Adi或OAdi环状结构的中央。该模型实现了脂肪细胞与心肌细胞在三维空间中的共定位，并保持了高细胞活性（>93%）。免疫荧光染色确认了共培养体系中a-iCMs（MLC2A阳性）和脂肪细胞（尼罗红阳性）的特异性标记。
3D肥大脂肪细胞对3D a-iCMs搏动活动及间隙连接表达的影响
在3D共培养体系中，与3D Adi共培养的a-iCMs表现出组织样同步搏动，搏动汇合度高。然而，与3D OAdi共培养的a-iCMs搏动速度显著下降，搏动频率明显降低，搏动汇合度也显著受损。钙瞬变分析进一步揭示了其搏动间隔（IBI）变异性显著增加，并出现跳搏现象，模拟了肥胖相关的心律失常风险。机制上，免疫印迹和免疫荧光显示，3D OAdi共培养的a-iCMs中间隙连接蛋白Connexin 43（Cx43）的表达显著下调，这可能是导致电传导异常和搏动不同步的结构基础。
3D肥大脂肪细胞降低a-iCMs的胰岛素受体磷酸化和葡萄糖摄取
研究发现在3D共培养模型中，与3D OAdi共培养的a-iCMs，其胰岛素受体磷酸化（pINSR）水平显著低于与3D Adi共培养的组别，尽管总INSR蛋白量无显著差异。功能上，3D OAdi共培养的a-iCMs基础和胰岛素刺激下的葡萄糖摄取能力均受损。值得注意的是，与3D Adi共培养反而显著增强了a-iCMs对胰岛素的反应性，突出了健康脂肪细胞对维持心肌胰岛素敏感性的支持作用。
3D肥大脂肪细胞增加a-iCMs的内质网应激并促进细胞内脂肪堆积
Western blot分析显示，与3D OAdi共培养的a-iCMs，其内质网应激关键传感器PERK的磷酸化水平（pPERK）显著升高，表明内质网应激被激活。同时，共培养模型中也观察到a-iCMs内明显的脂质积累。细胞因子阵列分析进一步揭示，3D OAdi-a-iCM共培养体系的分泌组中IL-6、IL-8、MIF和MCP-1/CCL2等促炎因子水平显著上调，再现了肥胖心脏的低度炎症状态。
二甲双胍减轻肥大脂肪细胞诱导的a-iCMs功能损伤
为验证模型的药物筛选潜力，研究测试了二甲双胍（2 mM）的治疗效果。经过48小时处理，二甲双胍显著改善了3D OAdi-a-iCMs的搏动速度，并显著降低了其搏动频率变异度，表明其具有抗心律失常的潜力。分子机制上，二甲双胍处理增加了a-iCMs中AMPK的磷酸化（pAMPK），增强了AMPK信号通路活性。同时，也观察到了INSR磷酸化和Cx43蛋白表达呈上升趋势。这些结果表明，二甲双胍可能通过激活AMPK，改善胰岛素信号传导和电耦合，从而部分逆转肥大脂肪细胞对心肌细胞的不利影响。
结论与未来工作
该研究成功建立了首个能够模拟肥胖相关心房功能障碍的人源3D生物打印脂肪-心肌模型。该模型揭示了脂肪细胞肥大通过旁分泌和直接接触机制，导致心房心肌细胞代谢紊乱、电生理异常和收缩功能损伤的关键路径。研究还证实了该平台在药物筛选方面的应用价值，如二甲双胍所示。未来研究方向包括采用iPSC来源的脂肪细胞提高模型可扩展性，促进iCMs进一步成熟以更接近成人心肌表型，以及利用该平台研究心室特异性病理反应和脂肪-心肌双向信号传导。这项工作为深入理解肥胖性心肌病的机制和开发个体化治疗策略提供了强大的体外研究工具。
