《Proceedings of the National Academy of Sciences》：In vitro sex-specific function–structure relationship in neonatal rat cardiac monolayers
编辑推荐：
这篇研究通过“心脏芯片（heart-on-a-chip）”平台，揭示了在相同培养条件下，雄性与雌性新生大鼠心室肌细胞（NRVMs）自组装为汇合单层后，在结构（如肌丝排列、单层厚度）和收缩功能（如收缩期/舒张期应力）上存在由性染色体驱动的固有差异。这项体外研究为在受控环境下深入探索心脏结构与功能性别差异的生物学基础，提供了一个重要的新平台。
背景与目的
心血管疾病在男性和女性中存在不同的表现和预后，这提示两性的心脏生理学存在本质差异。尽管体内及离体研究已揭示了大量关于心脏生理和病理的性别差异知识，但这些模型难以提供一个快速、灵活且可控的平台，用于在隔绝激素等其他因素影响的情况下，专门研究心脏组织层面的性别差异。本研究的目的是利用体外“心脏芯片”平台，探究在完全相同的实验条件下，新生大鼠心室肌细胞自组装形成的各向异性心肌单层，其结构与收缩功能是否存在由生物性别本身驱动的固有差异。
结果
研究首先比较了单个心肌细胞的结构。当稀疏接种于微图案基质上时，雄性与雌性新生大鼠心室肌细胞在细胞厚度、面积等基本几何特征上未见明显差异。细胞骨架（通过α-肌动蛋白（α-actinin）和肌动蛋白（actin）染色显示）的定向有序参数（Orientational Order Parameter， OOP）也无统计差异，表明单个细胞的收缩装置自组织过程与性别无关。然而，雄性细胞的连续Z线长度和Z线分数显著低于雌性，提示在无细胞邻接的孤立状态下，雌性细胞表现出更高的成熟度潜力。
当细胞自组装为汇合的单层组织时，性别差异变得显著。荧光染色显示，雌性新生大鼠心室肌细胞培养物中的肌原纤维倾向于形成明显的束状结构，而雄性培养物则更典型地表现为平坦的片状肌原纤维。结构测量证实，雌性心肌单层的厚度显著大于雄性。以总图像面积计算的Z线密度也存在性别差异，提示在相同接种密度下，细胞群体的密度可能不同。然而，在单个心肌细胞面积内计算的Z线密度，以及用于描述肌小节结构的各项指标（如OOP、连续Z线长度、Z线分数），在两性间均无统计学差异。
研究人员通过“心脏芯片”平台测试了不同接种密度下心肌单层的收缩功能。研究发现，从低密度到中等密度，心肌单层的收缩性能（收缩期应力、主动应力）随细胞数量增加而增强。在中等密度下（功能表现最佳且不受过度拥挤影响），雄性心肌单层产生的收缩期和舒张期应力均显著高于雌性，这与离体观察结果一致。然而，两性的主动应力（收缩期与舒张期应力之差）并无显著差异。通过结合结构和功能数据分析估算的单个肌小节平均作用力，在雄性和雌性之间是等效的，并与先前文献估计值相符。
讨论
本研究的观察结果突显，在完全相同的实验条件下（相同的细胞外基质图案、培养基和细胞接种密度），心肌细胞的生物性别驱动了不同的形态学结果和功能特征。单个细胞水平的差异在组装成汇合单层后发生了演变：雌性细胞在孤立状态下表现出的成熟度优势，在组织水平上因雄性细胞通过自组装达到相似的肌小节成熟度而消失。功能上的差异（雄性更高的收缩期/舒张期应力，但相同的主动应力）则与组织结构差异（如单层厚度、Z线密度）相关联，而单个肌小节的出力是保守的。
这些发现表明，心肌细胞自组装为高级组织构建体的过程本身是具有性别二态性的，并且很可能受内在的、染色体驱动机制的调控。这种机制驱使雄性和雌性心肌细胞采用不同的组织结构，并影响了最终涌现的力学生物学功能。研究排除了外源性激素的主要影响，因为实验条件中并未添加外源激素，且培养基中的背景雌激素浓度远低于生理水平。为了探索导致自组装差异的机制，细胞间粘附分子如N-钙黏蛋白（N-cadherin）可能是一个重要的研究方向，因为它在维持心脏组织结构和功能完整性中起核心作用，并且已有研究表明其在诱导多能干细胞（iPSC）来源的心肌细胞中存在性别差异性表达。
意义与展望
这项工作证明了体外新生大鼠心室肌细胞可以作为一个有价值的模型，用于探索心脏研究中的性别差异。它为在受控环境下研究心脏结构与功能的性别差异开辟了一条新途径。该平台具有模块化特点，未来可集成其他细胞类型（如巨噬细胞）或施加病理刺激（如缺氧损伤），以研究更复杂的生理和疾病过程。虽然新生大鼠心室肌细胞在发育上尚未成熟，不完全等同于成人心肌细胞，但其易获取、成本效益高和实验周期短的优势，使其成为需要高通量组织生成和功能评估的研究，特别是将性别作为生物学变量考量的研究中，一个非常有用的工具。通过这一简化模型分离染色体性别的影响，可以为未来纳入激素影响或使用成年心肌细胞系统的研究提供基础性见解。
