经典 Wnt 信号定向分化生成心脏房室管心肌细胞并在 3D 打印心脏组织中实现电信号延迟
Ye et al. | Cell Stem Cell 2024 | DOI: 10.1016/j.stem.2024.03.003
标签: #心脏类器官 #3D生物打印 #Wnt信号 #房室管心肌细胞 #Cellink #Celvivo #电生理 #心脏传导
一、做什么（研究背景与目的）
构建具有完整电生理传导系统的人造心脏是再生医学的核心挑战之一。心脏的房室管（AVC）区域负责在电信号从心房传向心室时制造约 0.1 秒的生理延迟，以保证心室充分充盈。然而，如何在体外高效生成并整合功能性 AVC 心肌细胞，长期困扰着该领域。
厦门大学附属心血管病医院任杰团队利用 3D 生物打印技术 和 单细胞 RNA 测序（scRNA-seq），揭示了阶段特异性激活经典 Wnt 信号通路可将人多能干细胞（hPSCs）高效定向分化为房室管样心肌细胞（AVCLCM），并在 3D 打印的"迷你蝴蝶结"心脏组织中成功实现电信号延迟功能。
图1：Wnt 激活诱导 AVC 标志基因表达。(A) 实验设计时间轴；(B) qRT-PCR 显示 AVC 标志基因（TBX2, MSX2, BMP4）显著上调；(H–K) 免疫荧光确认 TBX2/MSX2 与 TNNT2 共表达；(T, U) 定量分析显示 AVCLCM 比例显著增加。
「做了什么」：在心肌分化第 11-15 天（D11–D15）使用小分子激动剂 CHIR99021 激活经典 Wnt 通路，模拟胚胎发育中 AVC 形成的关键窗口期。
「发现什么」：CHIR 处理显著上调了 AVC 核心转录因子 TBX2、MSX2、TBX3 的表达，同时抑制了心腔标志物（SCN5A, GJA1）和起搏器标志物（SHOX2, ISL1, TBX18）。免疫荧光证实 CHIR 组细胞大量共表达 TNNT2 与 TBX2/MSX2。
「说明什么」：阶段特异性 Wnt 信号激活能够精确驱动 hPSCs 向 AVC 样心肌细胞定向分化，这为构建具有完整传导系统的人造心脏提供了细胞来源。
二、发现什么（核心结果）
1. 单细胞转录组揭示物种保守的 AVC 特征
图2：scRNA-seq 细胞分群与表观遗传分析。(A, B) UMAP 图展示细胞分群，AVCLCM 簇在 CHIR 组富集；(C) 标志基因点图；(L–P) H3K27ac ChIP-seq 证实 Wnt 响应元件（TCF/LEF motifs）在 AVC 基因增强子区富集。
「做了什么」：对 CHIR 处理组和对照组进行 scRNA-seq，鉴定分化群体的异质性；同时进行 H3K27ac ChIP-seq 分析表观遗传调控机制。
「发现什么」：在 CHIR 处理组中成功鉴定出一个独特的 AVCLCM 细胞簇。人源 AVCLCM 转录组与小鼠胚胎 E9.25 心脏 AVCM 对比，206 个核心基因高度保守。H3K27ac ChIP-seq 显示，Wnt 下游效应因子 TCF/LEF 的结合位点直接富集在 TBX2、MSX2、TBX3 等 AVC 基因的增强子区域。
「说明什么」：Wnt 信号是 AVC 分化的直接驱动者，而非间接影响。跨物种保守性表明该机制在哺乳动物进化中高度稳定。
2. AVCLCM 与起搏器/心腔细胞的严格区分
图3：AVCLCM 的分子特征验证。(A, C) Venn 图展示人与小鼠、CHIR法与FHF法之间的高重叠度；(E) GO 富集分析确认心脏功能相关通路；(F) 点图对比 AVCLCM 与起搏器细胞的基因表达差异。
「做了什么」：将 AVCLCM 与起搏器样细胞（PCLCM）进行对比分析，并与传统第一心野（FHF）诱导法比较标志基因表达。
「发现什么」：AVCLCM 与起搏器样细胞在分子特征上完全不同——起搏器细胞高表达 SHOX2、ISL1，而 AVCLCM 不表达。CHIR 方法与传统 FHF 法在标志基因表达上高度重叠（163 个共有标志基因），但步骤更简化。
「说明什么」：CHIR 方法是一种更简便、高效的 AVC 分化方案，可替代传统的多步骤 FHF 法。
3. 3D 打印组织实现功能性电信号延迟
图4：3D 打印心脏组织功能验证。(A–G) 电生理记录显示 AVCLCM 动作电位时程缩短、除极速率减慢；(H) 3D 打印"迷你蝴蝶结"示意图；(I–L) 光学映射热图证实，含 AVCLCM 的组织（L）在中段表现出明显的电信号传导延迟。
「做了什么」：利用 UV 交联水凝胶技术，将 AVCLCM 精准打印在预先构建的"迷你蝴蝶结"心脏组织中央狭窄区域（模拟 AV 结位置）。通过电生理记录和光学映射评估功能。
「发现什么」：AVCLCM 的动作电位持续时间（APD50, APD90）显著短于心腔细胞，最大除极速率（dV/dt max）较慢。光学映射热图证实，电波穿过中段 AVCLCM 时出现明显的传导延迟（Node delay），而对照组（DMSO 打印）表现为快速均匀传导。
「说明什么」：体外分化的 AVCLCM 不仅分子特征正确，而且在 3D 组织中真正实现了生理性的电信号延迟功能，这是构建完整人造心脏传导系统的关键里程碑。
三、说明什么（研究意义）
本研究为构建具有完整传导系统的人造心脏提供了三条关键突破：
- 分化方案优化：阶段特异性 Wnt 激活（D11–D15 加 CHIR）是一种简便高效的 AVC 分化方案，比传统 FHF 法步骤更少
- 功能验证成功：3D 打印的"迷你蝴蝶结"组织首次在体外实现了 AVC 电信号延迟功能，证明了该方法的生理相关性
- 跨物种保守性：人鼠 206 个核心基因高度保守，表明 AVC 分化机制在进化中高度稳定
该技术与 CELLINK 生物打印平台高度兼容（论文使用了 UV 交联水凝胶技术），可直接应用于心脏类器官构建和药物筛选实验。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| CELLINK BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 论文使用 UV 交联水凝胶技术实现高精度 3D 打印，BIO X6 同样支持光固化打印，适合此类多细胞组装体构建 |
| CELLINK 生物墨水 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | GelMA 等光固化水凝胶是 CELLINK 产品线核心生物墨水，可直接用于此类心脏组织打印 |
| Celvivo 3D 培养系统 | ⭐⭐⭐⭐ | 心脏类器官的体外成熟高度依赖 3D 微环境，Celvivo 可优化细胞成熟度和电生理功能整合 |
| 3Brain MEA | ⭐⭐⭐ | 可与 3D 打印心脏组织结合，用于电生理信号监测和药物心脏毒性评估 |
原文下载
📄 Ye_2024_Canonical_Wnt_AVC_Bioprinting_CellStemCell.pdf
参考文献
- Ye J, et al. Canonical Wnt signaling directs the generation of functional human PSC-derived atrioventricular canal cardiomyocytes in bioprinted cardiac tissues. Cell Stem Cell. 2024. DOI: 10.1016/j.stem.2024.03.003.
转发语：用 Wnt 信号"编程"干细胞，3D 打印出能传导电信号的心脏组织，人造心脏又近一步。
联系人：李东伟
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