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日本開發心臟衰竭體外模型 揭示治療新方向

日本藤田醫科大學研究團隊成功開發出「舒張功能障礙型心臟衰竭」(HFpEF)的人體工程化心臟組織模型,不僅揭示疾病病理機制,更證實特定藥物作用,為心臟衰竭患者的治療帶來新希望。

蔡

蔡佳穎

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圖/AI 生成示意圖
圖/AI 生成示意圖

日本藤田醫科大學(Fujita Health University)Shugo Tohyama教授與谷英典(Hidenori Tani)資深助理教授領導的研究團隊,成功在培養皿中利用人類誘導性多功能幹細胞(hiPSCs,一種可分化成多種細胞類型的幹細胞),培養出高品質的心肌細胞。他們進一步以此細胞建構出「舒張功能障礙型心臟衰竭」(HFpEF)的人體工程化心臟組織(hEHT)模型,為全球數千萬心臟衰竭患者的治療帶來新曙光。

HFpEF是一種心臟收縮功能正常,但舒張(放鬆)功能受損,無法充分填充血液的心臟疾病。此病症影響全球逾3000萬人口,卻缺乏有效的治療選項。研究團隊在調整培養基中葡萄糖和脂肪酸濃度時,意外發現過量的脂肪酸會對心臟組織的舒張能力產生負面影響,這啟發了他們對HFpEF病理機制的研究。

研究人員從hiPSCs誘導出心肌細胞,並利用來自豬心臟的膠原蛋白,建構出成熟的三維人體工程化心臟組織(hEHT)。隨後,他們將這些組織在含有高脂肪酸及一氧化氮合酶(NOS)抑制劑L-NG-nitroarginine methyl ester(L-NAME)的培養基中培養,並加入心外膜細胞、內皮細胞(ECs)和巨噬細胞等輔助細胞,成功模擬出具備正常收縮功能但舒張功能受損的HFpEF-hEHT模型。

此模型展現了HFpEF在分子與基因層面的多項關鍵特徵,包括NT-proBNP和NPPB mRNA水平升高、鈣離子轉運相關基因(RYR2、SERCA2A和PLN)表現減少、纖維化相關基因增加,以及膠原蛋白和肌聯蛋白(TITIN)變得更僵硬。此外,HFpEF-hEHT模型中也觀察到炎症反應增加。

研究團隊隨後針對六種藥物進行測試,結果發現僅有恩格列淨(Empagliflozin),一種第二型鈉-葡萄糖協同轉運蛋白抑制劑(SGLT2i),能部分預防舒張功能障礙型心臟衰竭的發生。其他測試藥物,如血管收縮素受體/腦啡肽酶抑制劑、可溶性鳥苷酸環化酶活化劑等,對hEHT的舒張時間沒有影響,而高極化活化環狀核苷酸閘門通道抑制劑甚至惡化了病情。

轉錄組分析進一步揭示,恩格列淨(Empagliflozin)具有抗炎作用,能部分抑制HFpEF-hEHT中白介素-1β(IL-1β)和白介素-6(IL-6)等炎性分子的增加。這項預防作用的關鍵在於內皮細胞(ECs)的存在。研究指出,內皮細胞中eNOS-NO-cGMP-PKG訊號傳導途徑的抑制,是HFpEF的主要病理機制。恩格列淨(Empagliflozin)透過部分解除這種抑制,並改善細胞對鈉離子(Na+)和鈣離子(Ca2+)的清除,從而發揮其抗炎效果,防止離子在細胞內積累。

Shugo Tohyama教授表示,這項人體HFpEF模型不僅能應用於揭示HFpEF的病理生理機制,還有助於對抗衰老相關研究。他也指出:「預計這項研究將為新治療藥物的開發、藥物療效評估以及HFpEF患者的個人化醫療奠定研究基礎,為未來的進一步研究鋪路。」這項研究成果已於2026年7月16日在《細胞:幹細胞》(Cell Stem Cell)期刊線上發表,並於8月6日刊登於該期刊第33卷第8期。

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