基于hiPSC-CM机电耦合模型预测药物诱导收缩效应的计算框架

《Journal of Physiology》：Electromechanical modelling and simulation of human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes predict drug-induced contractility effects

本文聚焦人诱导多能干细胞来源心肌细胞（hiPSC-CM）在药物开发和心脏疾病研究中的应用。现有计算模型在模拟hiPSC-CM的机械特性方面存在局限，特别是收缩功能。研究团队成功构建并验证了两种不同成熟度状态（V1、V2）的hiPSC-CM机电耦合模型，该模型整合了电生理（Paci模型）与收缩（Land模型）特性。模型校准后，其模拟的收缩力、钙瞬变（CaT）及动作电位（AP）关键指标与实验数据高度吻合。通过该模型对64种药物（包括正性肌力与负性肌力药物）进行计算机模拟（in silico）研究，成功预测了48种药物中41种的肌力作用，并首次揭示了帕利哌酮（paliperidone）的速率依赖性正性肌力效应。该研究建立了一个融合湿实验与计算机模拟（in vitro-in silico）的框架，为药物早期研发的心脏安全性评价及机制探索提供了强大工具。

引言

在心血管研究领域，人诱导多能干细胞来源的心肌细胞（hiPSC-CMs）因其具有患者特异性、可再生、易于规模化培养等优势，已成为药物测试、疾病建模和个体化医疗的关键工具。然而，hiPSC-CMs存在相对于成熟心肌细胞的表型不成熟性。当前的计算研究多聚焦于其电生理特性，而对其收缩、松弛等机械反应的模拟存在明显不足，这限制了对心脏药物效力和安全性，以及疾病机制的全面评估。体外综合致心律失常性评估（CiPA）倡议强调了结合计算机模拟与湿实验方法的重要性。尽管已有一些基于动物数据的机电耦合模型，但其在模拟人类生理方面存在局限性。本研究旨在填补这一空白，开发基于人类特异性数据的hiPSC-CM机电耦合模型，以模拟不同药理条件下的电生理和收缩行为，提高药物测试的效率和准确性。

研究方法

模型构建

研究团队将已发表的hiPSC-CM电生理Paci模型与基于人体温下人类心肌细胞测量数据构建的张力Land模型耦合。Paci模型详细描述了多种离子电流，包括快钠电流（I_Na）、L型钙电流（I_CaL）、快速延迟整流钾电流（I_Kr）等。Land模型则采用三态（未结合U、预动力冲程W、力生成S）肌动球蛋白横桥模型描述主动张力生成。两个模型通过细胞内游离钙浓度耦合：Paci模型输出的钙浓度作为Land模型的输入，而Land模型中肌钙蛋白C结合的钙量反馈回Paci模型以更新胞内游离钙浓度。该耦合方案已在此前研究中得到描述。

此外，研究还开发了第二个模型变体（V2）。考虑到更成熟的hiPSC-CMs中I_Na、I_K1和I_CaL电导更高的报道，V2模型将这三种电流的最大电导率统一增加了2.2倍，以期更好地模拟更成熟细胞的电生理特征。

模型校准与评估

原始的、未校准的机电耦合模型无法生成符合实验观测的收缩力。为此，研究团队利用来自hiPSC-CM工程化心脏组织（EHTs）等的实验收缩力数据，对Land模型中的两个关键参数：肌动球蛋白结合位点从阻滞态到未结合态的转变速率（ku）和描述钙结合与肌动球蛋白结合位点解阻稳态关系的希尔系数（nTm）进行了重新参数化。校准过程通过最小化包含收缩力峰值、达峰时间、50%松弛时间等指标的代价函数来完成。

校准后，模型模拟的收缩力振幅、钙瞬变和动作电位的关键生物标志物（如达峰时间、松弛时间、持续时间等）均与收集到的大量hiPSC-CM实验数据范围相匹配。例如，在1赫兹起搏条件下，模拟的收缩力振幅从校准前的0.04千帕提升至0.44千帕，进入了实验数据范围（0.21-6.5千帕）。钙瞬变和动作电位的模拟波形和动力学特征也与电生理模型及实验数据保持一致。

计算机模拟药物试验设计

为评估模型预测药物对收缩力影响（肌力作用）的准确性，研究选取了两组化合物。第一组包含7种化合物，均有现成的hiPSC-CM收缩力研究数据，用于直接比较。第二组包含64种化合物，涵盖了抗心律失常药、抗精神病药、抗生素、激酶抑制剂等多种类别，其中48种药物的肌力作用已有临床或实验数据，16种作用未知。药物对离子通道（如I_Na， I_Kr， I_CaL等）的半数抑制浓度（IC₅₀）和希尔系数（h）数据来自已发表的文献。模拟在多种药物浓度下进行，最高达最大有效游离治疗浓度（EFTPC_max）的100倍。收缩力的变化超过基线10%才被认定为有正性或负性肌力作用。

模拟方案

模拟在起搏（1赫兹）和自发搏动两种模式下进行。评估了药物对动作电位、钙瞬变和主动张力的多种生物标志物的影响，并监测了异常电活动，如早期后除极、复极失败和节律不齐。对于部分模拟预测肌力作用未知的药物，后续在hiPSC-CMs上进行了钙成像实验以验证模型预测。

研究结果

模型性能与验证

校准显著提升了机电耦合模型的收缩性能。在起搏和自发搏动模式下，校准后模型模拟的收缩力、钙瞬变和动作电位的关键生物标志物均落在广泛的实验数据范围内。V2模型由于调整了离子通道电导，模拟出的动作电位幅度更大、上升支速度更快，钙瞬变幅度也更高，更接近某些报道中“更成熟”的hiPSC-CM表型。

药物效应预测准确性

在已知肌力作用的48种药物中，模型成功预测了41种（85.4%）。例如，模型正确地预测了钙通道激活剂Bay-K8644的正性肌力作用，以及钙通道阻滞剂如维拉帕米、硝苯地平等药物的负性肌力作用。对于一些多通道作用的复杂药物，模型也能给出合理的预测。

新药效的发现与实验验证

模型预测抗抑郁药度洛西汀（duloxetine）和抗精神病药帕利哌酮（paliperidone）具有负性肌力作用，而此前这两种药物在hiPSC-CMs中的肌力作用未知。后续的hiPSC-CM钙成像实验证实了模型预测：两种药物均降低了钙瞬变的幅度，支持其负性肌力效应。

机制性新发现：速率依赖性肌力作用

最引人注目的发现之一是模型揭示了帕利哌酮具有速率依赖性的肌力作用。模拟显示，在自发搏动（较慢频率）的细胞中，帕利哌酮表现出负性肌力作用；而在快速起搏（较高频率）的细胞中，其负性肌力作用减弱甚至可能转为轻微的正性肌力作用。机制分析表明，这与药物对不同搏动频率下细胞钙处理动力学的差异化影响有关。这一复杂的、频率依赖性的效应是传统实验难以系统揭示的，凸显了计算模型在探索深层机制方面的优势。

结论与意义

本研究成功构建并验证了基于人类数据的hiPSC-CM机电耦合模型，该模型能够高精度地模拟hiPSC-CMs的电生理和收缩行为，并能可靠地预测多种药物对收缩力的影响。研究不仅展示了模型在已知药物效应验证上的高准确率，更重要的是，它能够预测未知的药物效应（后经实验证实），并能揭示如速率依赖性肌力作用这类新颖的、机制复杂的药物反应。这项工作建立了一个强大的体外-计算机模拟（in vitro-in silico）整合框架。该框架能够弥合稀疏的实验数据，增强药物测试结果的可信度，特别有利于早期药物开发阶段的心脏安全性评估。同时，它作为一个机制研究平台，为理解药物反应的深层分子驱动因素提供了独特见解，这对于设计更安全、更有效的心脏疗法至关重要。