《Biochemical Society Transactions》：Human iPSCs: atrial versus ventricular cardiomyocytes and their functional and pharmacological differences
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这篇综述系统比较了Axol公司提供的人诱导多能干细胞（hiPSC）来源的心房（aCM）与心室（vCM）心肌细胞在多种功能评估平台（如膜片钳、微电极阵列、收缩力测定）上的差异。文章论证了使用腔室特异性细胞对于精准模拟心脏疾病（如房颤AF）、评估化合物疗效与心脏毒性（cardiotoxicity）的必要性，并探讨了其在新兴技术（如自动化膜片钳、器官芯片、AI大数据分析）中的应用潜力。
引言
人诱导多能干细胞（hiPSC）技术的成熟与发展，为科学研究提供了一个近乎无限、可规模化获取且具有生理相关性的人类细胞来源。在心血管研究领域，hiPSC来源的心肌细胞（iCMs）已成为替代传统动物和细胞模型的有力工具。然而，以往商业化和自制的大多数iCMs实际上是心室肌细胞（vCMs）、心房样心肌细胞（aCMs）和窦房结样（SAN）细胞的混合群体。随着生产更纯腔室特异性（如aCMs、左心室vCMs）细胞方案的发表，一个关键问题浮现：这些更纯的腔室特异性细胞是否比标准混合细胞群体更具优势？本综述旨在通过比较Axol公司的hiPSC来源aCMs与vCMs在多种平台上的功能与药理学差异，来回答这个问题，并特别关注其在对房颤（AF）、左心室肥厚（LVH）等腔室特异性疾病的建模价值。
蛋白质组学与转录组学
aCMs与vCMs在蛋白质组学和转录组学上存在显著差异，这些差异反映了原生心房与心室组织的不同。例如，约77.8%的vCMs对心室肌球蛋白轻链2亚型（MLC2V）呈阳性而对心房亚型（MLC2A）呈阴性（MLC2V+/MLC2A–），而94.7%的aCMs则显示相反模式（MLC2V-/MLC2A+）。免疫细胞化学标记也证实了这一点。此外，MYL4基因编码心房特异性必需轻链蛋白，在心室发育中被MYL3替代。MYL4的突变会导致一系列心房功能障碍。这些分子层面的差异预示着二者在功能，特别是收缩性、电生理学和药理学上，将存在相应区别。
全细胞膜片钳（PC）
全细胞膜片钳（PC）是评估心肌细胞等电活性细胞功能的金标准。记录显示，vCMs产生动作电位波形较长，上升支较慢，平台期更明显；而aCMs产生更快、更短的“更三角形的波形”。在药理学方面，心房特异性电流IK,ACh可被卡巴胆碱和腺苷在aCMs中检测到，但在vCMs中完全缺失。使用心房特异性化合物（如4-AP、卡巴胆碱、tertiapin-Q）处理时，vCMs的动作电位波形和特征变化极小，而aCMs的搏动频率（BR）、动作电位波形和持续时间（APD）则发生显著改变，正确再现了其心房特异性药理学。这些明显的腔室特异性药理学差异，证明了在评估化合物功效和毒性时使用腔室特异性iCMs的益处。
微电极阵列（MEA）
微电极阵列（MEA）系统为PC技术提供了更高通量的替代方案。使用Axion MEA系统获得的数据显示，aCMs具有显著更短的场电位持续时间（FPD，相当于PC中的APD90），这与PC的发现一致。光栅图也复现了文献中的发现，即hiPSC来源的aCMs比vCMs具有更快的搏动频率。局部细胞外动作电位（LEAP）数据同样显示aCMs波形更呈三角形且APD更短，而vCMs持续时间更长并具有明显的钙平台期，收缩性模块的数据也支持了这一结论。
收缩力
专用的收缩力平台，如innoVitro FLEXcyte 96，可以直接测量收缩力。数据显示，aCMs的收缩时间更短，搏动频率更高，而vCMs则具有更明显的平台期，且收缩力更强。在化合物作用下，这些差异被进一步放大。例如，心房特异性乙酰胆碱受体激动剂卡巴胆碱显著延长aCMs的搏动持续时间（BD），增加收缩力（CF），同时显著降低其搏动频率，复现了PC数据和文献报道。相比之下，即使最高浓度的卡巴胆碱对vCMs的波形或CF也没有明显影响。另一个心房特异性化合物4-AP对aCMs和vCMs的收缩力波形和CF产生适度改变，但对BR和BD的影响在aCMs中更为显著。最有趣的是L型钙通道激动剂S-Bay K8644在aCMs和vCMs上产生的不同效应：它对aCMs产生正性肌力作用，对vCMs却产生负性肌力作用；它最初降低aCMs的BR，却显著增加vCMs的BR。这种未被预测的腔室特异性效应说明了使用腔室特异性、供体匹配的样本进行体外药物筛选的价值。
高通量自动化膜片钳
尽管MEA和收缩力平台发展显著，但全细胞PC仍然是评估心脏细胞药理学和离子通道功能的金标准。为了克服手动PC通量低、难度大的限制，Nanion和Sophion等公司开发了用于心肌细胞的高通量自动化膜片钳（APC）系统（如Synchropatch 384, Qube 384）。这些系统试图并行封接384个细胞，虽然成功率在20-75%之间波动，但仍比手动PC的通量提高了数个数量级。APC系统已被誉为制药行业的新金标准，并逐渐在学术研究中得到应用。
3D培养、器官芯片与微生理系统
传统的二维单层培养在生理相关性上存在局限。三维培养技术，如心脏球体、类器官、组装体或工程化心脏组织（EHT），能提供更接近体内的细胞微环境，促进细胞成熟和功能组织。更进一步的微生理系统（MPS）或器官芯片（OOC）允许在工程化芯片上共培养多种细胞类型，通过通道连接以模拟生理流体流动和神经支配，从而更好地模拟器官水平生理学。例如，一个OOC系统可能包含肠道细胞室、肝脏细胞室和心脏细胞室，以模拟口服药物的吸收、代谢过程。从简单的2D单层到复杂多器官OOC，每一步都增加了模型的生理相关性，但代价是简化性和通量。因此，研究界在努力提高简单模型的生理相关性的同时，也在努力提升复杂系统的通量和易用性。
“大数据”与人工智能
安全性和有效性研究会产生海量数据，这来自APC、高内涵成像以及不断增长的各类组学数据。为了在药物开发早期识别潜在的心脏毒性风险，需要对数百甚至数千种化合物进行面板测试。hiPSC来源的细胞，结合多供体“盘中临床试验”（CTIAD）或“盘中村庄”（Village in a Dish）方法，有可能使数据量呈指数级增长。面对这种数据洪流，利用人工智能（AI）进展来自动化数据管理、处理和分析变得至关重要。例如，机器学习模型已能根据hiPSC来源神经元细胞的MEA数据，以99.9%的准确率识别癫痫发作和神经毒性风险。hiPSC细胞模型与AI之间正在形成一种良性的发展循环：iPSC细胞数据用于训练AI模型，AI用于虚拟设计和筛选新疗法，最终筛选出的候选化合物再使用iPSC细胞进行验证，从而极大简化和加速开发进程。
结论
本综述探讨了更纯的腔室特异性人iCMs相比标准混合细胞群体所提供的实际实验益处，并展示了如何使用多种不同平台捕捉其在基础活动、化合物效应和心脏毒性方面的差异。hiPSC来源aCMs和vCMs在基础和化合物处理功能上表现出的鲜明腔室特异性差异，证明了其在一般性研究以及针对房颤、左心室肥厚等腔室特异性疾病研究中的使用价值。这些结论也支持开发更多hiPSC来源的心脏亚型细胞。最后，使用这些腔室特异性iCMs可以增强APC和AI等新兴检测与分析技术的发展，这些技术之间的协同潜力为未来心脏研究提供了广阔前景。
展望
hiPSC来源的细胞为研究提供了大规模、人类、生理相关细胞材料的潜力，但其广泛应用需要证明不同类型和亚型特异性hiPSC细胞的功能相关性及效用。为此，显然需要更好、更具腔室特异性的hiPSC来源心肌细胞来应对目前心房颤动等心脏疾病未被满足的挑战。可用平台的增长和改进也扩大了可在hiPSC心肌细胞等细胞中检测的特征范围，从而能更全面地了解不同细胞类型的功能和药理学差异。本综述中探讨的平台和技术可用于更好地表征hiPSC来源的心房和心室心肌细胞（包括健康和疾病状态），并可扩展到未来的新型hiPSC来源心脏细胞类型。类似方法也可用于更好地表征其他hiPSC来源的细胞类型。
