Cell Stem Cell | 构建心衰舒张功能障碍的人源iPSC衍生心脏组织模型

撰文 |水王星

射血分数保留型心力衰竭（heart failure with preserved ejection fraction,HFpEF）是当前心血管领域的治疗难点，患者预后差，现有循证治疗手段十分有限。学界已明确HFpEF的核心病理特征为左心室舒张功能障碍，与全身慢性炎症、微血管内皮功能损伤密切相关。内皮型一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide synthase,eNOS）-一氧化氮（nitric oxide, NO）-环磷酸鸟苷（cyclic guanosine monophosphate, cGMP）-蛋白激酶G（protein kinase G, PKG）信号通路失活是其关键发病机制。但过往研究中，动物模型难以复刻人类心脏的电生理与心律失常特征，传统体外模型又无法模拟HFpEF的多细胞互作与组织级表型，相关机制研究与药物开发长期受限。

近日，日本藤田医科大学Shugo Tohyama团队在Cell Stem Cell发表题为Human iPSC-derived engineered heart tissue model of diastolic dysfunction in heart failure with preserved ejection fraction的研究论文。该研究团队利用人诱导多能干细胞（hiPSC，human induced pluripotent stem cell），构建了稳定模拟人类HFpEF特征的工程心脏组织（human engineered heart tissue, hEHT）模型，证实钠-葡萄糖共转运蛋白2抑制剂（sodium-glucose cotransporter 2 inhibitor, SGLT2i）可通过恢复内皮细胞eNOS-NO-cGMP-PKG信号通路改善舒张功能障碍，为HFpEF的基础研究与药物研发提供了可靠的体外平台。

为突破现有模型的局限性，研究团队首先优化了hEHT的诱导体系。参考已报道的可诱导HFpEF的小鼠模型干预方案，团队将高浓度脂肪酸和一氧化氮合酶抑制剂L-NAME添加到hEHT的培养体系中，经过梯度浓度筛选，最终确定含2% AlbuMAX和1mM L-NAME的培养基为HFpEF模型诱导条件。诱导2周后，hEHT的收缩功能未受明显影响，但舒张功能显著下降，表现为松弛时长与收缩时长的比值（relaxation duration/contraction duration, RD/CD）明显升高。模型同时呈现出HFpEF的典型病理特征，包括心衰标志物NT-proBNP分泌水平升高，钙瞬变异常，线粒体结构破坏、脂滴堆积，纤维化相关基因表达上调，心肌组织硬度增加，肌联蛋白异构体向促僵硬的N2B型偏移，胶原蛋白向偏硬的Ⅰ型胶原转化。此外，培养上清中的NT-proBNP可作为无创监测指标，支持对模型状态的动态评估。

在确认模型表型符合HFpEF特征后，团队利用该模型开展了治疗药物筛选。团队对6类已获批或处于临床研究阶段的HF治疗药物进行测试，结果显示，只有SGLT2i能显著改善hEHT的舒张功能异常，可降低心衰标志物NPPB的表达。进一步的浓度梯度实验显示，1μM的恩格列净在低浓度下即可发挥作用；推迟给药的治疗组也能观察到表型改善，但效果略弱于与模型诱导同步的预防给药组。

为进一步阐明SGLT2i的作用机制，团队开展了多层次的机制研究。转录组测序分析显示，HFpEF模型中存在显著的炎症相关基因富集，而SGLT2i处理后可抑制炎症通路激活，下调白细胞介素6（interleukin 6, IL-6）等促炎因子的表达。细胞组分调控实验表明，内皮细胞是SGLT2i发挥作用的关键细胞类型，缺失内皮细胞时，SGLT2i无法改善舒张功能异常。机制研究进一步发现，HFpEF模型中内皮细胞内钠离子（Na⁺）、钙离子（Ca²⁺）超载，SGLT2i可通过抑制Na⁺/H⁺交换体（Na⁺/H⁺exchanger, NHE）和Na⁺/Ca²⁺交换体（Na⁺/Ca²⁺exchanger, NCX）的表达，减轻离子超载，进而恢复eNOS-NO-cGMP-PKG通路的活性。团队通过构建eNOS（NOS3）敲除的hiPSC衍生内皮细胞验证，当NOS3缺失时，SGLT2i的改善效应几乎消失，直接证实了该通路的核心作用。此外研究还发现，M1型巨噬细胞会加重模型的炎症和舒张功能障碍，M2型巨噬细胞则有一定缓解作用，但巨噬细胞并非SGLT2i发挥作用的关键介导因素。

该研究构建的hEHT模型稳定复现了人类HFpEF的核心病理特征，弥补了现有动物模型和传统体外模型的不足，为HFpEF的机制研究提供了可靠的平台。同时研究明确了SGLT2i护心作用的分子机制，也为HFpEF的新药研发提供了可量化的高通量筛选体系，具有重要的临床转化价值。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.stem.2026.06.007

制版人： 十一

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