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该研究系统总结了当前用于模拟心脏机械负荷的体外平台，重点分析了前负荷和后负荷动态对心肌细胞成熟和疾病建模式的影响，为心脏组织工程和疾病模型开发提供了重要指导。

 

文献概述

本文《体外模拟心脏机械负荷动态以促进心肌细胞成熟与疾病建模》，发表于《Cardiovascular Research》杂志，回顾并总结了体外心脏组织工程中模拟机械负荷的方法，以及这些方法如何促进人多能干细胞来源心肌细胞的成熟和疾病模型构建。

背景知识

心脏疾病是全球主要健康负担之一，体外模型在疾病建模和药物筛选中具有重要应用潜力。然而，人多能干细胞来源的心肌细胞往往呈现胎儿样未成熟表型，限制其生理相关性。机械负荷（包括前负荷和后负荷）在心脏发育和功能中起关键作用，其模拟对体外心肌组织工程至关重要。前负荷代表心脏舒张期因血液充盈导致的拉伸，后负荷则与收缩期血管阻力相关。当前研究尝试通过多种体外平台（如工程心脏组织、可拉伸膜、生物执行器、工程化心室及微组织）模拟这些机械负荷，以增强组织成熟度和生理功能。尽管已有研究表明机械刺激可改善组织结构和功能，不同研究中刺激参数的不一致仍限制了对机械负荷诱导效应的系统理解。因此，本研究重点分析了如何在体外有效模拟机械负荷，并探讨其在疾病建模中的应用。

 

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研究方法与实验

本文系统回顾了多种体外心脏组织工程平台，包括生物执行器、可拉伸膜、工程化心脏组织（EHT）、工程化心室和微组织，分析它们如何模拟前负荷与后负荷，并评估不同机械刺激参数对心肌细胞成熟的影响。此外，作者还比较了不同平台的优缺点，如EHT系统可通过调节支柱间距模拟前负荷，通过调节支柱刚度模拟后负荷；工程化心室模型可通过控制灌注压力或出口阻力模拟前负荷和后负荷；而微组织模型则依赖外力（如磁场、微流控通道）实现拉伸和约束。实验中主要关注的参数包括刺激频率、拉伸幅度、刺激模式（连续、间歇、渐进式）及持续时间等，用于分析机械负荷对心肌细胞结构、蛋白表达和收缩性能的影响。

关键结论与观点

• 前负荷通过拉伸心肌细胞促进肌节组织和收缩力提升，最佳拉伸幅度为10–20%。
• 后负荷通过增加收缩阻力，促进心肌细胞肥大和收缩力增强，但其体外模拟仍具挑战。
• 不同刺激模式（连续、间歇、渐进）对心肌细胞成熟度影响不同，渐进式刺激更接近生理状态。
• 工程化心脏组织（EHT）在模拟前负荷和后负荷方面表现良好，但受限于单轴变形。
• 工程化心室模型可提供更接近临床的血流动力学参数，如射血分数和压力-容积环，但制造复杂且成本高。
• 微组织模型适合高通量筛选，但缺乏后负荷模拟和精确的收缩力读数。

研究意义与展望

该研究强调了机械负荷在体外心脏组织工程中的关键作用，并指出未来需更标准化的刺激参数和平台设计，以提高模型的生理相关性。此外，整合动态前负荷与后负荷的体外模型将有助于更真实地模拟心脏功能，推动疾病建模与药物筛选的应用。

 

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结语

本文综述了体外模拟心脏机械负荷（前负荷与后负荷）的最新进展，系统分析了不同平台（如EHT、生物执行器、可拉伸膜）在心肌细胞成熟与疾病建模中的作用。研究强调了前负荷对肌节结构和收缩性能的正向影响，以及后负荷在肥大信号传导中的潜在作用。尽管已有平台在结构和功能上取得一定进展，但如何在体外更精确地模拟体内机械动态仍是未来研究的重点。通过优化刺激参数和平台设计，体外心脏组织模型有望更有效地用于疾病机制研究、药物筛选及个性化医疗，为心脏再生医学和精准医疗提供更可靠的研究工具。

 

Mariel Cano-Jorge, Sofia Gómez, Jaap den Toonder, Ye Wang, and Robert Passier. In vitro approaches to mimic cardiac mechanical load dynamics for enhancing maturation and disease modelling. Cardiovascular Research.