使用算法指导的定义培养基成分优化促进人源iPSC来源心肌细胞的高级生理成熟

让体外培养的心脏细胞更接近真实心脏

体外培养的心脏细胞正成为理解心脏疾病和测试新药的重要工具，但它们通常更像新生儿的心肌细胞而非成体细胞。本研究描述了一种在培养皿中“使细胞变老”的新方法，使这些细胞在外观和功能上更接近成人心脏肌肉，可能使体外测试更安全、更可靠。

为什么培养皿里的心细胞需要成熟

心脏病是发达国家的主要死因，许多有前景的药物在后期开发阶段失败，部分原因是早期测试未能发现对心脏的有害影响。人诱导多能干细胞来源的心肌细胞（hiPSC心细胞）提供了一个基于人源体系来研究疾病和筛选药物的途径。然而，大多数此类细胞仍然处于“不成熟”状态——它们像胎儿细胞那样能自行节律性跳动，产生的收缩力相对较弱，并依赖效率较低的能量产生方式。要真正替代成体心肌，它们必须被诱导向更成熟的形态发展，而改变包裹它们的“液体食物”（培养基）是实现这一点的最有力方法之一。

让算法来设计细胞的“饮食”

研究人员没有逐一调整单个成分，而是采用了计算机引导的搜索策略来设计更优的培养基。他们建立了一个包含17种可溶性成分的大菜单，涵盖脂肪酸和半乳糖等能量来源、甲状腺激素和生长因子等激素，以及小分子辅因子和助剂。这些选择受到心肌在出生及早期发育阶段所遇信号混合的启发——在这一时期心肌天然转向高效的氧化代谢。一个“高维差分进化”算法在四轮迭代中测试并优化了组合，通过一种自我归一化的应激测试评估每种配方在提升细胞利用氧气能力方面的表现。在约7,630亿种可能配方中，实际只需尝试169种，最终得到作者称为C16的16成分配方。

心细胞开始在形态和功能上趋于成体

当hiPSC心细胞在C16培养基中培养时，其结构和行为与若干主流商业和已发表的培养基相比发生了显著变化。在显微镜下，C16处理的细胞变得更大、更拉长且排列更好，收缩纤维呈现更清晰的横纹且细胞间连接更完善。细胞内部结构，例如管状膜褶皱和密集的线粒体簇，也更为显著。在功能上，C16处理的细胞缩短和舒张更快，对钙信号的处理更接近成体模式，并更多依赖氧化代谢而不是快速的糖分解。在工程化心肌条带中，同一培养基使得收缩应力提高了数倍，并在增加起搏频率时表现出更健康的反应。

关闭自发跳动

体内工作心肌的一个决定性特征是它不会自行放电；相反，它等待来自心脏天然起搏点的信号。C16处理的细胞层大多失去了自发跳动，并稳定在更深的静息电位，接近成人人体的数值。详细的电生理记录显示，这种静止状态与强大的内向整流钾电流密切相关——这种关键的稳定化电流在未经改造的干细胞来源心细胞中一直难以实现。阻断该电流会再次暴露出自发活动，证实了其作用。这些电学改变连同更快的钙循环和更强的收缩力，表明C16推动了细胞生理多个方面向成体样状态发展。

解读细胞的分子特征

为了检验这些改变是否反映在细胞内部的调控网络中，研究团队进行了广泛的RNA和蛋白质测定。在C16处理的细胞中，与收缩、电信号传导、细胞间黏附和氧化代谢相关的基因表达被上调，而与生长、迁移及无氧代谢相关的程序被下调。蛋白质测量呼应了许多这些趋势，并突出了用于强健泵功能的结构和代谢成分的增加。与此同时，一些经典的成熟标志在RNA水平上并不完全与其蛋白水平或功能表现一致，这强调了没有单一分子读数能全面反映这些细胞的成体相似度。

这对未来心脏研究意味着什么

通过将智能搜索算法与细致的功能测试相结合，作者创建了一种定义明确的培养基，能将体外培养的人心细胞显著推向更接近成体组织的行为状态。这种更成熟的状态，尤其是稳定的电学特性和更强、能效更高的收缩，可能会改善用于研究疾病机制、预测药物诱发的心脏问题以及设计细胞疗法的体外模型。该研究还表明，同时优化多种培养基成分（而非逐一调整）可以释放难以预见的复杂生物学改进，为在实验室中改良其他干细胞来源组织提供了一般策略。

引用: Callaghan, N.I., Durland, L.J., Chen, W. et al. Advanced physiological maturation of human iPSC-derived cardiomyocytes using an algorithm-directed optimization of defined media components. Nat Commun 17, 4625 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70550-9

关键词: 心肌细胞成熟, 干细胞心脏模型, 培养基优化, 心脏毒性测试, 心脏组织工程