全球约有6000万人患有心房颤动（A-fib），这是一种心跳不规则且经常过快的疾病，但自30多年前以来，尚未开发出任何新的治疗方法。这是因为研究人员一直缺乏准确的人类心脏模型进行研究。现在，密歇根州立大学科学家的最新研究成果改变了这一局面。
2020年，密歇根州立大学研究员Aitor Aguirre及其团队开始创建和完善被称为类器官的人类心脏微型工作模型。如今，这些类器官可被改造以模拟心房颤动（A-fib）。
这些三维心脏类器官大小约如扁豆，精确度极高，使研究人员能够以以前不可能的方式研究心脏发育、疾病和药物反应。这些类器官的节律性跳动非常强劲，无需显微镜即可观察到。
类器官的创建方法
在Aguirre的带领下——他是密歇根州立大学定量健康科学与工程研究所生物医学工程副教授兼发育与干细胞生物学部门主管——研究团队利用捐赠的人类干细胞开发心脏类器官。这些干细胞可以发育成多种不同类型的细胞，对生命过程中的生长和组织修复至关重要。这些类器官确实是微型心脏，具有类似腔室的结构以及包括动脉、静脉和毛细血管在内的血管网络。
该示意图总结了最近发表在《Cell Stem Cell》杂志上的论文的关键突破和发现。图片由密歇根州立大学Aguirre实验室提供。
Aguirre实验室的最新里程碑来自密歇根州立大学骨科医学院医师科学家学生Colin O'Hern，他向类器官中添加了免疫细胞。在发育中的人类心脏中，这些免疫细胞（即巨噬细胞）有助于确保正常生长和形成。
研究人员能够在类器官中引发炎症，导致心跳不规则，从而模拟心房颤动（A-fib）。相关研究发现已发表在《Cell Stem Cell》杂志上。
测试心房颤动新疗法
O'Hern表示："我们的新模型使我们能够直接研究活体人类心脏组织，这是以前不可能做到的。当我们添加炎症分子时，心肌细胞开始不规则跳动。然后我们引入了一种抗炎药物，心律部分恢复正常。看到这一现象真是令人难以置信。"
30多年来，尚未开发出任何针对心房颤动的新药物。由于当前疗法往往针对症状而非根本机制，这种疾病仍然治疗不佳。心房颤动的药物研发一直面临挑战，因为缺乏能模拟该疾病的可靠动物模型。
Aguirre补充道："这个新模型可以复制许多人医疗问题的核心状况。它将推动许多医学进步，患者可以期待加速的治疗发展、更多药物上市、更安全的药物以及更便宜的药物，因为公司能够开发更多选择。"
了解心脏发育与疾病
在该研究中，O'Hern及其研究团队表明，长期存在于特定器官中的先天免疫细胞有助于引导心脏的发育和节律。这些信息还有助于研究人员了解先天性心脏疾病（人类最常见的出生缺陷）的起源。
研究人员随后更进一步。他们开发了一个系统，通过将类器官暴露于导致心房颤动的炎症中，使其老化以模拟成人的心脏。
为了展示如何使用新模型测试炎症驱动性心脏疾病的疗法，研究团队引入了一种抗炎药物，根据团队的研究发现，该药物有望治疗心房颤动。这使心脏恢复正常节律。
Aguirre解释说，添加免疫细胞使这些模型在生理上比以往任何时候都更加准确。
他表示："我们现在看到心脏自身的免疫系统如何影响健康和疾病。这使我们前所未有地了解炎症如何引发心律失常以及药物如何阻止这一过程。"
对未来研究和治疗的影响
缺乏生理上准确的人类模型以及无法在人类心脏上进行测试，限制了针对心房颤动等心律失常的新疗法和药物的发现。
Aguirre表示："我们新的人类心脏类器官模型有望结束这30年来没有新药物或疗法的干旱期。"
Aguirre基于人类的类器官技术直接支持美国国立卫生研究院的新方法论计划，旨在现代化转化研究并提高美国临床前测试的预测能力。
目前，密歇根州立大学的研究人员正与制药和生物技术合作伙伴合作，筛选化合物以确保它们在预防心律失常的同时不会导致心脏损伤。
Aguirre团队已发表多项研究，确立了密歇根州立大学在人类心脏类器官研究领域的全球领导者地位，Aguirre表示更多进展即将推出。
Aguirre表示："我们的长期愿景是开发源自患者细胞的个性化心脏模型，用于精准医学，并最终生成可供移植的心脏组织。"
该研究的其他重要贡献者包括来自密歇根州立大学定量健康科学与工程研究所的Christopher Contag、Nureddin Ashammakhi和Sangbum Park；来自Corewell Health的Nagib Chalfoun；以及来自华盛顿大学的Chao Zhou。
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