用于药物评估的先进体外心脏模型：类器官、工程组织与微生理系统的整合

为什么培养迷你心脏很重要

心脏病是全球首要的致死原因，然而许多有前景的药物在研发后期失败，原因在于目前的实验室检测和动物研究常常漏检对人体心脏的有害影响。本文阐述了科学家如何在实验室中构建越来越真实的“迷你心脏”——从平面细胞层到微小搏动组织、类器官和心脏芯片系统——以更安全、更准确地预测新药对人类心脏的影响。

从简单的细胞层到微小的搏动组织

研究人员现在常规地将成人细胞重编程为诱导多能干细胞并分化出人类心肌细胞。这些细胞可以铺展成薄片，或通过微观图案引导成特定形状。即便在这个基础层面，控制细胞形状、排列和载体的软硬度也会改变细胞的收缩强度及电信号的传播。这些平面培养易于大批量培养并借助自动摄像与传感器测量，因此被广泛用于第一轮的安全性筛查，尤其用于检测可能扰乱心律的药物。

构建三维心肌和心腔结构

为了更贴近真实心脏，科学家通过将心肌细胞与类似心脏天然支架的凝胶类材料混合来组装三维心脏组织。这些工程化心脏组织常常铸模在支柱或环形结构周围，以便测量它们在收缩时对支撑物的牵拉。通过施加规律的拉伸和电刺激，组织会逐步发展出更接近成体的结构和泵血行为。更大的补片和腔室状构件甚至可以模拟心室的充盈与射出，从而测量类似临床中使用的压-容变化。加入血管细胞和支持细胞有助于这些组织在体外存活更久，并在移植到动物心脏时更好地整合。

自组装的迷你心脏与早期发育

另一类研究聚焦于类器官——能够自组织、类似心脏发育早期阶段的细胞团。从干细胞出发，研究者通过调整生长信号的时序与强度，使细胞自发分层并形成带有早期腔室样区域、外层覆盖细胞和原始血管的空腔搏动结构。有些类器官甚至在心脏区域旁同时生成造血组织和类肝组织，为研究不同器官如何共同发育提供了窗口。这些模型在研究先天缺陷、遗传性心脏病以及心脏不同细胞类型在发育过程中如何相互通信方面特别有力。

心脏芯片与多器官联通

微生理系统，常称为器官芯片，采取了另一种方法。心脏组织被培养在小型透明装置内，装置上刻有供流体流动的通道和可被拉伸的柔性壁。这些芯片能够精确控制营养、氧气、机械应变和电刺激，同时传感器可实时跟踪搏动强度和电活动。当心脏模块与肝脏、血管或其他器官模块在同一回路中连接时，研究者可以观察肝脏代谢药物后对心脏的影响，或炎症与免疫细胞如何影响心脏功能。美国食品药品监督管理局等监管机构已开始将这些基于人体的芯片视为药物安全评估的有前景工具。

这对未来药物与治疗意味着什么

平面细胞层、工程化组织、类器官与器官芯片共同构成了一套工具箱，使心脏检测比单靠传统动物模型更贴近人体现实。每种模型在真实感与实用性之间做出不同的平衡，组合使用可更全面地呈现药物可能对人体心脏的益处或危害。尽管仍存在挑战——例如如何使这些迷你心脏完全成熟、为其提供真实的血流以及在实验室间标准化方法——这些进展正为更安全的药物、更个性化的治疗以及最终用于修复受损心脏的实验室培养心脏组织奠定基础。

引用: Kim, Y.H., Son, Y.H., Choi, Y. et al. Advanced in vitro cardiac models for drug evaluation: integration of organoids, engineered tissues, and microphysiological systems. Microsyst Nanoeng 12, 162 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01249-6

关键词: 心脏芯片, 心脏类器官, 工程化心脏组织, 药物心脏毒性, 来源于hiPSC的心肌细胞