心脏是如何工作的?

身体里的每个细胞都需要氧气和营养才能存活。血液是身体的运输服务，为细胞提供所需的物质。无论你是在睡觉、吃饭、骑自行车还是玩电子游戏，心脏都是让血液在你体内流动的泵。心脏一直在工作，每天大约跳动10万次[1］．心脏有四个主要的腔室，就像血液站(图1)．缺氧的血液在体内长途跋涉后回到心脏，流入右心房，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。然后，富氧血液返回心脏，排空左心房，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的所有细胞和器官。四个心脏瓣膜控制每个心室之间的血液流动。当血液从一个心室流向另一个心室时，瓣膜打开和关闭，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”中只向一个方向流动。你的心脏怎么可能在你想都不想的情况下跳动呢? 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。它发出控制肌肉同步收缩的电信号。此外，如果窦房结失效，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．据估计，人类心脏平均含有2-3个欧元心肌细胞(2］．这些细胞是如何知道何时收缩以产生一次强有力的心跳的呢?细胞膜在特殊的连接处互锁，将细胞固定在一起，并允许信使分子通过，指导细胞跳动。因此，所有的心肌细胞都可以表现为一个单一的功能单位。心肌细胞共同工作，将血液泵入你的身体。

《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物质才能发挥作用。因此，心脏有自己的血管网络——动脉和静脉包裹着整个心脏。心脏似乎是完美的器官，但它并非没有缺陷。心脏病发作是很常见的，当一条或多条冠状动脉(心脏)堵塞，血流中断时就会发生。什么会导致冠状动脉堵塞?大多数心脏病发作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并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，阻碍富氧血液的流动。当斑块脱落并阻碍血液循环时，它们变得特别危险。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。如果没有新鲜的氧气或营养供应，心肌细胞就会受损或死亡。结果就是心脏病发作。

为什么心脏病发作如此危险?首先，当心脏细胞缺乏氧气和营养物质时，它们就失去了功能。他们没有击败对手所需的材料。结果，心肌不能再收缩，身体其他部位的血液供应就会中断。即使医生在心脏病发作后修复了堵塞，恢复了血液流动，但如果血液流动中断了几个小时，受损的心肌细胞就永远不会恢复。心脏病发作可导致多达10亿个心肌细胞的丧失或损伤[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，并可能导致心跳异常，从而严重削弱心脏，可能导致猝死。

干细胞可以变成心脏细胞

你有没有想过你体内的心肌细胞和其他类型的细胞是从哪里来的?你身体的所有细胞一开始都是干细胞（图2)．干细胞可以发育成许多不同的细胞类型，从皮肤细胞到神经细胞再到心脏细胞。干细胞分裂的速度非常快，它们还没有分化，在体内承担特定的工作。就像孩子们最终长大并选择一种职业一样，干细胞成熟并成为身体的专门细胞。干细胞主要有两种来源:成人组织或胚胎。然而，只有胚胎干细胞才能成熟为体内所有类型的细胞。科学家们已经开发出一种方法，对成年细胞进行基因重组，使其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，它们可以分化成人体的任何细胞类型。

为了在实验室中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了心跳，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，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!

为了帮助患者从心脏病发作中恢复过来，科学家们正在使用干细胞来源的心肌细胞来替代原本心肌已经变成疤痕组织的区域的心肌。一个方法叫做心脏补丁，这是一种实验室培育的心脏组织，可以植入心脏，以取代病人的受损组织(图3) [4］．心脏贴片就像受损心脏的特制创可贴。为了制造心脏贴片，细胞生长在脚手架，这是一个组织形成的模板，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重复的。在心脏中发现的细胞组合与干细胞来源的心肌细胞一起放置在支架上。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各种心脏补片的方法。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“电死”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存在许多障碍。首先，当心脏贴片被植入时，只有0.1-10%的植入细胞存活下来成为有功能的心肌细胞[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，这可能会破坏心跳的节奏和效率[6］．

在心脏组织再生领域不断有新发现。虽然心脏病发作是危险和致命的，但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，为心脏受损的患者带来希望。

更广泛背景下的干细胞

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，干细胞已被用于替换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产生胰岛素，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来解决实验室中的医疗问题的医学方法，他们还在寻找利用干细胞疗法来改善患有多种疾病或障碍的患者健康的方法。

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：↑心脏的肌肉细胞通过收缩将血液输送到全身。

动脉粥样硬化：↑动脉粥样硬化一种由动脉变厚、变硬和变窄引起的疾病，由斑块、脂肪、胆固醇和其他物质沿动脉内层积聚而引起

斑块：↑由脂肪、胆固醇和血液中的其他物质组成的动脉沉积物，随着时间的推移而积聚并变硬，使动脉变窄并阻塞血液流动。

干细胞：↑主细胞分裂迅速，可以成为任何类型的细胞。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：↑心肌组织:一块心肌组织，由心肌细胞和其他类型的心脏细胞组成，在实验室的支架上生长，用于修复受损的心脏

脚手架：↑一种由特殊材料制成的框架或平台，可以形成细胞生长的表面，从而创造出一种工程组织。

利益冲突

作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。

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、就业创造和贸易部以及渥太华大学心脏研究所的早期研究员奖。作者要感谢渥太华大学心脏研究所的梁文斌博士提供了视频中显示的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]↑Tirziu, D.， Giordano, F. J.和Simons, M. 2010。心脏的细胞通讯。循环122:928。doi: 10.1161 / CIRCULATIONAHA.108.847731

[3]↑阮培凯，李宗伟。，吴俊昌，2016。成人干细胞治疗和心力衰竭，2000年至2016年: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。2018。纳米工程导电胶原蛋白心脏贴片用于心肌梗死修复。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。心肌梗死生物工程材料的治疗应用．Nanoeng。板牙。生物医学。使用161 - 93。doi: 10.1007 / 978 - 3 - 030 - 31261 - 9 - _9

[6]↑张杰，朱伟，张伟杰，朱伟，朱伟。2018。我们能设计出用于治疗的人类心脏贴片吗?中国保监会．Res。123:244 - 65。doi: 10.1161 / CIRCRESAHA.118.311213

[7]↑李，C.，威勒斯，S. M.，尼加德，H. B. 2020。利用病人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]↑蒋文，史勇，赵东，陈松，勇俊，张俊等。2007。在体外．从人类胚胎干细胞中提取有功能的胰岛素产生细胞。细胞Res．17:333-44。doi: 10.1038 / cr.2007.28