心脏是如何工作的?

人体内的每个细胞都需要氧气和营养物质才能存活。血液是身体的运输服务，为细胞输送所需的物质。无论你是在睡觉、吃饭、骑自行车还是玩电子游戏，心脏都是将血液输送到全身的泵。心脏一直在工作，每天跳动约10万次[1］．心脏有四个主要腔室，它们就像血液站(图1)．缺氧的血液在经过漫长的身体旅行后返回心脏，进入右心房，然后流入右心室。当心脏挤压或收缩时，右心室将血液泵到肺部，在那里从你呼吸的空气中补充氧气。富含氧气的血液回到心脏，排空进入左心房，然后进入左心室。最后，左心室再次收缩，将富含氧气的血液输送到身体所有的细胞和器官。四个心脏瓣膜控制着每个心室之间的血液流动。当血液从一个腔室流向另一个腔室时，瓣膜会打开或关闭，防止血液倒流。你可以把这些瓣膜想象成心脏的“交通控制操作员”。它们确保血液在心脏的“单行道”中只朝一个方向流动。你怎么可能想都没想就心跳了呢? Behind the scenes, the heart has its own little brain, called the窦房结．窦房结独立于大脑控制你的心脏活动。它发出控制同步肌肉收缩的电信号。此外，如果窦房结出现故障，心脏的每个腔室都有机制来接管跳动功能。

心脏的肌肉细胞叫做心肌细胞．一般人的心脏估计含有2-3个欧元心肌细胞(2］．这些细胞是如何知道何时收缩产生一次有力的心跳的呢?细胞膜在特殊的连接处互锁，将细胞固定在一起，并允许指示细胞跳动的信使分子通过。因此，所有的心肌细胞可以作为一个单一的功能单位。心肌细胞协同工作，将血液泵入全身。

当心脏衰竭:心脏病发作的故事

就像身体其他器官的细胞一样，心肌细胞也需要氧气和营养才能发挥功能。因此，心脏有自己的血管网络，即包裹整个心脏的动脉和静脉。心脏似乎是完美的器官，但它并非没有缺陷。心脏病是非常常见的，当一条或多条冠状动脉阻塞，阻断血液流动时就会发作。什么会导致冠状动脉阻塞?大多数心脏病是由冠状动脉疾病引起的。动脉粥样硬化一种导致脂肪沉积在动脉中形成结构的冠状动脉疾病叫做斑块．随着时间的推移，这些斑块会硬化并使动脉变窄，阻碍富含氧气的血液流动。当斑块脱落并阻碍血液循环时，它们会变得特别危险。有时破裂的斑块会完全切断血液循环，剥夺心脏细胞的氧气和营养。你可以把这种堵塞想象成大规模的交通堵塞。没有新鲜的氧气或营养供应，心肌细胞就会受损或死亡。结果是心脏病发作。

为什么心脏病发作如此危险?首先，当心脏细胞变得缺乏氧气和营养时，它们就会失去功能。他们没有打人所需的材料。结果是，心肌不能再收缩，身体其他部位的血液供应被中断。即使心脏病发作后，医生修复了堵塞，恢复了血流，但如果血流中断几个小时，受损的心肌细胞将永远无法恢复。心脏病发作可导致多达10亿个心肌细胞的损失或损伤[3.］．受损的心肌细胞被疤痕组织所取代，疤痕组织不能再帮助心脏泵血，可能导致心跳异常，这可能会严重削弱心脏，并可能导致突然死亡。

干细胞可以成为心脏细胞

你有没有想过，你身体里的心肌细胞和其他类型的细胞是从哪里来的?你身体的所有细胞都是干细胞（图2)．干细胞可以发育成许多不同类型的细胞，从皮肤细胞到神经细胞再到心脏细胞。干细胞的分裂速度非常快，它们还没有分化，也没有在体内承担特定的工作。就像孩子们最终会长大并选择职业一样，干细胞也会成熟并成为人体的专门细胞。干细胞有两个主要来源:成人组织或胚胎。然而，只有胚胎干细胞才能发育成体内所有类型的细胞。科学家们已经开发出一种方法，可以对成年细胞进行基因重组，使之成为所谓的诱导细胞多能干细胞。胚胎干细胞和诱导多能干细胞都是多能干细胞，这意味着它们有无限的分裂能力，它们可以分化(改变)成任何身体细胞类型。

为了在实验室里从干细胞中制造心肌细胞，科学家们将干细胞暴露在发育中的胚胎中产生心肌细胞的相同信号分子中。几天后，发育中的心肌细胞有心跳，在显微镜下可以看到(视频1) !干细胞来源的心肌细胞在数周内继续生长和分化。其结果是几乎无穷无尽的功能性、跳动的心肌细胞的供应。进行各种分子测试以验证实验室培养的心肌细胞的身份和纯度。

干细胞拯救世界!

为了帮助患者从心脏病发作中恢复，科学家们正在使用干细胞衍生的心肌细胞来取代原本心肌变成疤痕组织的区域的心肌。一种方法叫做心脏补丁这是一种实验室培育的心脏组织，可以植入心脏以取代病人受损的组织(图3) [4］．心脏贴片就像受伤心脏的特殊创可贴。为了制造心脏贴片，细胞生长在一块脚手架，这是组织形成的模板，在模拟体内的条件下[5］．例如，人体内的温度、氧气和二氧化碳水平是相同的。在心脏中发现的细胞组合，连同干细胞来源的心肌细胞被放置在支架上。最后，心脏贴片被植入心脏，希望用正常跳动的心肌取代死亡的、不跳动的疤痕组织。

科学家们一直在研究给心脏贴片的各种方法。他们发现，将干细胞来源的心肌细胞暴露在有节奏的电信号中，本质上是在植入前轻轻“电击”它们，可以提高它们的收缩能力。然而，心脏贴片在治疗中的应用仍然存在许多障碍。首先，当植入心脏贴片时，只有0.1-10%的植入细胞存活下来成为功能性心肌细胞[3.］．这个数字太低，无法完全恢复心脏功能。也有可能，一些植入的细胞可能无法与心脏的其他部分同时跳动或执行相同的功能，这可能会破坏心跳节奏和效率[6］．

在心脏组织再生领域不断有新的发现。尽管心脏病发作是危险和致命的，我们科学家可以使用心脏贴片等疗法来“攻击”它们。利用科学，我们可以再生心脏组织，恢复心跳，给心脏受损的患者带来希望。

干细胞在更广泛的背景下

干细胞疗法带来的机会是无限的，远远超出了心脏再生的范围。例如，干细胞已被用来取代因脊髓损伤或阿尔茨海默病或帕金森病等疾病而受损的脑细胞[7］．干细胞的另一个潜在应用是利用它们生产胰岛素，这是一种身体产生的调节血糖水平的激素。这可以帮助治疗糖尿病患者[8］．科学家们不仅在继续探索和创造利用干细胞在实验室中解决医学问题的医学方法，他们还在寻找利用干细胞疗法来改善患有多种疾病或疾病的患者的健康的方法。

术语表

窦房结：↑心脏中的一种特殊结构，通过向心肌细胞发出收缩信号来启动心跳。

心肌细胞：↑心脏的肌肉细胞收缩，将血液泵入全身。

动脉粥样硬化：↑动脉粥样硬化一种由动脉增厚、变硬和变窄引起的疾病，其原因是斑块、脂肪、胆固醇和其他物质沿着动脉内膜积聚

斑块：↑动脉淤积:由脂肪、胆固醇和血液中的其他物质组成的动脉淤积，随着时间的推移逐渐积聚和硬化，使动脉变窄并阻塞血液流动

干细胞：↑掌握快速分裂的细胞，可以变成任何类型的细胞。胚胎干细胞来自胚胎，诱导多能干细胞来自经过基因重组的成人组织。

多能：↑描述可分化为任何其他细胞类型的细胞。

心脏补丁：↑一块心肌组织，由心肌细胞和其他类型的心肌细胞组成，在实验室的支架上生长，用于修复受损的心脏。

脚手架：↑支架:一种由特殊材料制成的框架或平台，可形成细胞生长的表面，以制造工程化组织

利益冲突

作者声明，该研究是在不存在任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或金融关系的情况下进行的。

致谢

作者要感谢加拿大资助机构NSERC、CIHR、NFRF和加拿大心脏与中风基金会的支持。EA感谢经济发展、就业创造和贸易部颁发的早期研究员奖以及渥太华大学心脏研究所。作者要感谢渥太华大学心脏研究所的梁文斌博士提供视频中显示的iPSC细胞。

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参考文献

[1]↑Ceconi, C.， Guardigli, G.， Rizzo, P.， Francolini, G.和Ferrari, R. 2011。心率的故事。欧元。听到的。j . 5．13: C4-13。doi: 10.1093 / eurheartj / sur014

[２]↑J.佐丹奴和西蒙斯。2010。心脏的细胞通讯。循环122:928。doi: 10.1161 / CIRCULATIONAHA.108.847731

[3]↑阮培康，李建伟，李志伟。吴建昌，2016。成人干细胞治疗与心力衰竭，2000 - 2016:一项系统综述。JAMA心功能杂志．1:831-41。doi: 10.1001 / jamacardio.2016.2225

[4]↑Hosoyama, K, Ahumada, M, McTiernan, C. D, Davis, D. R, Variola, F.， Ruel, M，等人。2018。用于梗死心肌修复的纳米工程导电胶原基心脏贴片。ACS达成。板牙。接口10:44668 - 77。doi: 10.1021 / acsami.8b18844

［5］↑Sedlakova, V.， Ruel, M.和Suuronen, E. J. 2019。生物工程材料在心肌梗死中的治疗应用．Nanoeng。板牙。生物医学。使用161 - 93。doi: 10.1007 / 978 - 3 - 030 - 31261 - 9 - _9

[6]↑张俊，朱伟，张俊杰，朱伟，雷迪奇，M.， Vunjak-Novakovic, G. 2018。我们能设计人类心脏贴片进行治疗吗?中国保监会．Res。123:244 - 65。doi: 10.1161 / CIRCRESAHA.118.311213

[7]↑Lee, C.， Willerth, S. M.， Nygaard和H. B. 2020。利用患者来源的诱导多能干细胞建立阿尔茨海默病模型。食物一般．192:101804。doi: 10.1016 / j.pneurobio.2020.101804

［8］↑蒋伟，石玉玉，赵东，陈胜，雍俊，张俊等。2007。在体外．从人类胚胎干细胞中提取功能性胰岛素生产细胞。细胞Res．17:333-44。doi: 10.1038 / cr.2007.28