曾安组合作构建首个人源心脏“生物起搏器”类器官体外模型

　　

5月15日，国际学术期刊Cell Stem Cell在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）曾安研究组与复旦大学罗哲团队、同济大学杜美蓉团队的合作研究成果，题为“Human PSC-derived sinoatrial node-cardiac plexus assembloids model innervation-associated maturation of pacemaker systems”。该研究利用人多能干细胞构建了三维“生物起搏器”类器官，模拟人类窦房结特征，并通过上接心脏神经丛类器官、下连心房样类器官组装，建立了一个体外的“心内神经—窦房结—心房”心脏传导三类器官组装体模型。该模型不仅为研究人类心脏起搏系统的发育、疾病和神经调控提供了全新的人源化实验平台，也为药物评价及未来生物起搏器相关研究开辟了新的思路。

为了获得更接近真实窦房结的人源模型，研究团队从人多能干细胞出发，通过模拟胚胎发育过程中的关键信号浓度，建立了窦房结类器官的诱导分化体系。所得类器官具有三维结构，包含与体内窦房结起搏细胞相对应的三种亚型（头区、尾区及过渡区细胞），并能够自主产生稳定的节律性跳动。进一步分析显示，这些窦房结类器官不仅表达典型的起搏细胞标志基因，还在转录组特征上接近人胚胎窦房结细胞；在功能上，它们能够对多种调节心率的药物产生相应反应。更重要的是，当窦房结类器官与心房样类器官连接后，电信号能够从窦房结一侧发出，并传导至心房样组织，提示该模型能够在体外模拟“起搏—传导”的基本过程。

在建立正常窦房结类器官模型后，研究团队进一步探索其是否能用于模拟遗传性窦房结疾病。KCNJ3 c.247A>C 是近期报道的一个与家族性缓慢性心律失常相关的突变，但其致病机制和潜在干预方式仍有待明确。研究人员利用基因编辑技术，在窦房结类器官中引入这一突变，发现突变类器官的跳动频率明显降低，能够重现窦房结功能障碍中的关键表型。功能实验显示，钾离子通道的选择性阻断剂Tertiapin-Q 能改善这一异常节律，提示该模型可用于解析遗传性窦房结疾病机制，并为潜在药物评价提供人源化实验平台。

真实心脏中的窦房结并不是孤立工作的。心率的快慢还受到心脏自主神经系统的精细调节，使心脏能够根据运动、休息、情绪和代谢状态的变化及时调整节律。其中，窦房结周围最丰富的心内神经是副交感神经，其主要作用是降低心率。为了在体外模拟心内神经对起搏细胞的调控，研究团队进一步构建了富含副交感神经元的心脏神经丛类器官，并将其与窦房结类器官进行组装。结果发现，心脏神经丛类器官中的神经纤维能够向窦房结类器官延伸并形成连接，进而降低窦房结类器官的跳动频率。随后，研究团队进一步引入心房类器官，构建“神经—窦房结—心房”三类器官组装体。研究发现，神经调控信号不仅能够作用于起搏器，还可进一步传递至下游心房组织，导致心房节律减慢，并能够对基于神经的光遗传刺激产生进一步降频响应。这些结果与体内副交感神经抑制心率的作用一致，说明该系统能够在体外模拟神经对心脏起搏系统的调控过程。这一“神经—窦房结—心房”组装体模型，为研究人类心脏神经如何影响起搏系统提供了新的实验平台。

在成功建立“神经—起搏器”组装体系后，研究团队进一步追问：神经是否不仅调控心跳节律，还参与促进起搏系统成熟？为回答这一问题，团队结合人胚胎心脏窦房结区域的空间转录组分析，绘制了人类窦房结及其周围神经微环境的空间分子图谱。研究发现，窦房结起搏细胞中特异性富集表达受体GPR37，而其配体PSAP则主要来源于邻近神经元，提示神经元与起搏细胞之间可能存在特定的细胞交流通路。随后，类器官组装体实验进一步验证了这一推测。研究发现，神经来源的PSAP能够作用于起搏细胞表面的GPR37，并促进起搏细胞成熟，使其呈现出更接近人体内发育晚期阶段天然起搏器的特征。进一步的遗传学实验表明，敲除GPR37或降低神经元PSAP表达，均会显著削弱这一成熟效应；而外源补充PSAP则可在窦房结类器官中重新诱导成熟相关表型。由此，研究揭示了神经可通过PSAP–GPR37信号轴促进人类心脏起搏细胞成熟，为理解起搏系统发育过程中的神经调控提供了新的模型。

目前，许多窦房结功能障碍患者仍需要依赖电子起搏器来维持正常心律。电子起搏器在临床上应用广泛，并挽救了大量患者生命，但仍存在电池寿命有限、感染风险和导线相关并发症等问题。对于儿童患者而言，由于身体和心脏会不断生长，往往还需要多次手术更换起搏器及导线。因此，探索更加接近生理状态的生物学起搏策略，是心血管再生医学领域的重要方向之一。本研究建立的人源窦房结类器官及其神经调控组装体，不仅可作为基础研究、疾病建模和药物评价平台，为研究人类起搏细胞如何形成、如何成熟、如何接受神经调控，以及在疾病中如何发生功能异常提供更加接近人体的体外模型；同时，也为未来探索基于细胞或类器官移植的生物起搏策略提供了新的可能。随着细胞工程、类器官组装、成熟诱导、移植递送和安全性评估等技术的进一步发展，该平台有望为生物起搏器研究、个体化疾病模型建立和潜在治疗策略开发提供重要支撑。

总体来看，这项研究在体外重建了人类心脏天然起搏系统的关键组成部分，并进一步将神经调控纳入“生物起搏器”类器官模型，形成了首个可用于研究“神经—窦房结—心房”互作的人源实验系统。该成果不仅加深了我们对人类心律形成和起搏系统成熟过程的理解，也为窦房结疾病研究、药物评价以及未来生物起搏策略探索提供了新的工具和方向。

分子细胞卓越中心博士生张桐栋、博士后范磊，复旦大学博士生姚飞白，北京大学博士生李戈，以及上海交通大学博士生林国彤为论文共同第一作者。分子细胞卓越中心曾安研究员、复旦大学罗哲主任医师及同济大学杜美蓉主任医师为共同通讯作者。该研究得到中国科学院战略性先导科技专项、科技部重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科学技术委员会及生物医学峰基金等项目资助，并在研究过程中得到宋雷、程新、潘挺睿、杨兆华、荆清、林琳、管仁初、黄世超等研究员的指导与帮助。该研究得到分子细胞卓越中心细胞分析技术平台、化学生物学技术平台及动物实验技术平台的支持。

文章链接：https://www.cell.com/cell-stem-cell/abstract/S1934-5909(26)00158-X

类器官组装体模拟心脏神经-起搏调控