3D 心脏模型在药物研发中的应用：当前进展与未来挑战

1.研究背景

心血管疾病（CVDs）是全球死亡的主要原因之一，对人类健康造成重大威胁。目前，啮齿动物模型在心血管疾病研究中被广泛使用；然而，由于啮齿动物与人类在基因上的差异，人类疾病表型无法在啮齿动物模型中完全重现。传统的2D细胞培养无法完全重现人类心脏组织的结构、力学、电活动等特征。因此，基于人类多能干细胞（hPSCs）构建的3D 心脏模型对于阐明心血管疾病发病机制和推进药物研发而言至关重要。

2. 3D心脏模型的基本特征

3D 心脏模型通常由人类多能干细胞通过支架系统、悬浮培养、微流控设备或自组织方案进行组装和构建。与2D培养相比，它们能更好地模拟心脏收缩、电生理活动、代谢活动以及多细胞相互作用。3D心脏模型主要包括工程化心脏组织、心脏芯片、无支架心脏球形微组织以及心脏类器官等。这些3D模型的差异在于它们的结构复杂性、功能特征以及构建机制。这些模型在可扩展性、生物学相关性和应用重点方面各有所长：工程化组织是用于收缩能力和组织层面功能测试的强大工具，心脏芯片能够实现可控流动和动态刺激，无支架微组织则在简洁性和适应性方面表现突出，心脏类器官则特别适用于模拟早期心脏发育和遗传疾病。通过对比这些模型在疾病建模方面和高通量实验中的优势，研究人员可以根据自身的优先考虑因素来选择实验平台。

3.3D心脏模型的测试方法

3D心脏模型的价值不仅取决于其是否与心脏组织相似，还取决于它是否能提供稳定且定量的功能性测量结果。各种定量和定性方法被用于评估其形态和功能，包括电生理评估、钙信号、收缩力测量、代谢检测。这些方法对于评估3D模型的准确性和灵敏度以及收集有意义的实验数据至关重要。

4. 生物材料和人工智能的推动力

生物材料和人工智能正在加速3D心脏模型从实验模型向药物发现平台的转变。导电材料能够增强心肌细胞之间的电耦合；水凝胶能提供类似基质的支持作用；3D 生物打印技术能够对多种细胞类型进行空间组织；同时，人工智能正越来越多地用于基于图像的表型分析、细胞类型标注、模型设计等方面，推动基于3D心脏模型的药物发现。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.1165