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研 究 概 述

      器官间的相互作用对于器官发生与成熟至关重要，其失调可导致发育障碍。然而，现有模型在模拟人类跨胚层器官（如心脏与脑）在早期发育阶段的动态互作方面仍面临挑战。为解决该问题，武汉大学组织工程与器官制造实验室（Tissue Engineering and Organ Manufacturing Lab, TEOM Lab）陈璞教授团队开发了一种跨胚层共发育类器官芯片（TGCO-Chip），可通过精确控制类器官的的培养环境，构建人多能干细胞来源的心-脑共发育类器官（HBC）模型。

      该模型成功再现了心脏与大脑在细胞谱系、组织结构和功能表现等方面的关键发育特征。进一步研究表明，共发育类器官在器官发生早期阶段模拟了神经组织向心脏区域的神经投射及其对心脏功能的调控作用。借助Maestro MEA系统，研究团队在共发育类器官中分别记录到自发的心肌场电位与节律性神经元放电活动。后续形态、分子和功能层面进一步分析结果发现，与相互连接的心-心类器官相比，HBC中的神经组分显著提高了心脏类器官的平均搏动频率和收缩幅度，促进了后者的分化与成熟进程。

      综上所述，TGCO-Chip平台为构建源自共同祖细胞谱系的多类器官复合体提供了创新性工具。该类共发育模型在发育生物学、疾病建模及再生医学研究中展示出广阔的应用前景，并为揭示不同细胞谱系与组织间的动态互作机制提供了新的研究视角。该研究成果发表于2025年10月《Engineering》（IF 11.6）上。

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MEA 实验结果

图3 HBCs电生理功能分析

（a）HBC在MEA六孔板64电极阵列上明场图像。比例尺：300 µm。

（b）MEA记录的代表性心肌场电位(FP)波形图，红色字为用于评估HBCs功能的各分析参数。

（c）HBCs在第15、21和28天时MEA记录的代表性FP波形图。

（d-g）依次为振幅、BPM、斜率、FPD均值柱形图。数据以均值±标准差表示；第15天n=7，第21天n=9，第28天n=6；采用单因素方差分析（one-way ANOVA）。

 

      研究者采用Maestro MEA系统对HBCs的心脏电生理特性进行了系统评估。MEA结果显示，其心脏区域所产生的场电位(FP)波形图与人类心电图（ECG）高度相似，能够完整反映心脏生理过程中的去极化、超极化及复极化等关键过程（图3a-c）。在培养过程中，从第15天至第28天，HBCs的场电位振幅、每分钟搏动次数（BPM）以及场电位斜率均随培养时间延长而显著增强，而平均场电位持续时间（FPD）则未表现出显著变化。这些结果表明随着心脏与神经分化过程的逐步推进，HBCs的电生理功能呈现出随时间逐步成熟的趋势。

图S3 异丙肾上腺素刺激后HBCs的电生理变化

（a）对照组与经10µmol/L异丙肾上腺素处理后HBCs的心肌FP代表性曲线。

（b-d）依次为振幅、BPM和FPD均值柱形图。数据以均值±标准差表示; n=7；Student's t检验。

 

      接下来，团队使用10μmol/L异丙肾上腺素（Isoproterenol，β-肾上腺素能受体激动剂）处理HBCs 1h，其平均振幅和BPM均显著增加，而 FPD 变化无显著差异（图 S3 a-d）。延时影像分析也验证了搏动频率的显著增加。

图S3 心-前脑共发育体的电生理功能检测

（g）心-前脑共发育类器官峰电位（spike）光栅图：该图上半部分为心脏区域、下半部分为神经区域的电发放信号记录，其中黑色竖线代表单个电发放，蓝色标记代表簇状放电（bursts）。

（h-i）心脏模式下，心区和空白区域电极记录到的场电位变化图。

（j–l）心区样本的平均搏动振幅、每分钟搏动次数及斜率均值柱形图。

（m-n）神经元记录模式下，前脑区和空白区域电极记录到的电位变化图。

（o–q）前脑区域的每分钟发放数、平均放电率及每分钟簇状放电次数柱形图。数据以均值±标准差表示；n=5。

 

      最后，为在功能层面验证共发育体模型中神经组织的成熟情况，研究者采用TGCO-Chip构建了心-前脑共发育体模型。与传统脑类器官分化方案相比，本研究的前脑类器官分化方案可加速神经成熟，并促进神经电生理活动的形成。第33天的共发育体MEA检测结果如图S3 g所示，样本的光栅图呈现出两种截然不同的放电模式。随后分别在心脏模式和神经模式下采集心区及前脑区样本场电位信号，结果如下：

• 心区样本显示出节律性、同步化的心脏放电模式，表现为稳定的搏动频率(144.12±16.13 BPM，n=5）、一致的动作电位振幅(2.20±0.76 mV)及均一的去极化动力学特征（平均斜率：2.98±1.38 V/s)（图S3 h-l）；

• 神经放电模式则表现为高频异步发放信号，其特征为较高的发放频率（577.60±206.42次/分钟），对应平均放电率为9.63±3.44 Hz，且伴随周期性簇放电（37.60±17.57 BPM）。这些神经簇放电现象提示网络水平同步性的形成，是神经元功能成熟的重要特征（图S3 m-q）。

      综上，这些研究结果证实，HBCs 的心区与神经区均实现了电生理功能成熟，并保留了主要离子通道及β-肾上腺素能信号通路。这一特性将为未来开展高级神经心脏药物测试提供助力。

媒体评价：MEA 由数十个微米级电极组成（如 64 电极阵列），可同时记录 HBC 不同区域的电活动，相当于给 HBC “贴满微型电极”。传统电生理技术（如膜片钳）仅能记录单个细胞，而 MEA 可实现 “多位点、无损伤、长期动态监测”，既能捕捉心区的节律性 FP 信号（类似人类心电图的微型化版本），又能记录脑区的高频神经尖峰，直观反映心脑功能的协同性，是评估 HBC 功能成熟度的 “金标准” 之一。（来自公众号：肠道类器官）

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