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心血管疾病是全球头号死因,占全部死亡病例的三分之一。然而,新药研发在临床后期仍面临高失败率,主因是疗效不足或意外毒性。根本问题在于,传统临床前模型难以真实反映人类心脏的生理和药理特征。动物模型虽为研究基石,却在心脏结构、代谢和药物反应等方面与人类差异显著,导致预测偏差。而常用的hERG检测等体外方法,只能捕捉孤立电生理信号,常产生假阳性或假阴性结果。因此,许多严重心脏安全问题(如心律失常)往往在药物上市后才暴露,凸显了对更具预测性、更符合人体生理的心脏筛选平台的迫切需求。
人诱导多能干细胞来源的心肌细胞(hiPSC-CMs)正成为弥补这一转化鸿沟的有力工具。它们由成体细胞重编程而来,保留了人类遗传背景,具备心肌细胞的关键电生理特性。更重要的是,hiPSC-CMs可实现规模化制备、长期培养,并整合入高通量药物筛选流程。其内在的人类相关性使其能够识别动物模型中常被忽略的毒性反应,优势显著。结合患者特异性或基因编辑技术,hiPSC-CMs还可模拟从遗传性离子通道病到复杂心肌病的广泛疾病,推动精准药理学发展。
近日,一篇发表于《Microsystems & Nanoengineering》的综述文章 《Advanced in vitro cardiac models for drug evaluation: integration of organoids, engineered tissues, and microphysiological systems》 ,系统梳理了当代体外心脏模型的最新进展。该文指出,当前模型已覆盖从简单到复杂的多样化结构体系,包括二维单层、三维工程心脏组织(EHTs)、自组织心脏类器官(COs)以及微生理系统(MPS,即“芯片心脏”)。不同模型在实验通量与生理保真度之间各有侧重,互为补充,广泛应用于药效测试、安全性评估与机制研究。通过整合三维结构、多细胞组成、电机械耦合和生理负荷等关键特征,这些平台显著提升了临床前研究的转化价值。近期的创新还包括成熟度增强的类器官、血管化工程组织、具备压力-容量动力学的腔室模型,以及可实时评估收缩力与电生理的芯片平台。免疫与血管成分的引入、多器官连接的建立,进一步拓展了其在全身性药物评估和疾病建模中的应用前景。
总的来说,先进的体外心脏模型弥合了还原性实验与临床现实之间的差距,契合了强调人类相关性与非动物测试的新兴监管趋势。它们不仅为理解人类心脏发育、心肌细胞成熟和患者特异性疾病机制提供了深刻见解,也在精准药理学和再生医学中展现出巨大潜力。体外心脏模型正引领一场变革性范式,推动药物研发进程,提升安全性预测能力,并逐步减少心血管研究对动物实验的依赖。
01
研究亮点
Research Highlights
现状总结:总结当前hiPSC衍生心脏模型系统的现状
应用评估:批判性地评估这些模型在临床前药物开发中的应用价值
持续挑战:组织成熟度、可扩展性、可重复性以及监管验证
前沿技术突破口(微纳尺度工程创新):微纳米尺度工程创新推动现有平台,增强转化相关性和临床影响
02
研究内容
Research Content
1. 用于药物评估的体外心脏模型平台
为了克服传统体内动物模型和过度简化的体外检测方法的局限性,人们开发了广泛的体外心脏平台,以提高临床前心血管药物评估的预测准确性(图1)。早期的心脏模型主要依赖于动物来源的细胞,如新生大鼠心室肌细胞(NRVMs),而该领域已迅速转向基于人类诱导多能干细胞(hiPSCs)的人源系统,以更紧密地模拟人类特有的心脏生理学。总的来说,这些平台涵盖了心脏组织结构的不同层次,从单个心肌细胞到多细胞工程组织和器官级结构。每类模型在生理保真度和实验通量之间存在不同的权衡,使研究人员能够根据其特定的药理学目标选择最合适的平台。
图1:体外心脏模型的多尺度概览,涵盖从单细胞系统到多器官平台,展示了结构层次(上)、代表性模型平台及其特征(中),以及该领域的主要发展和技术里程碑(下)。上图展示了心脏在不同尺度上的组织结构,从亚细胞结构和心肌细胞到心肌、整个心脏以及循环系统。中图总结了体外心脏模型的主要类别,包括二维单层、三维工程组织、心脏类器官和微生理系统,突出了它们的代表性结构、优势和局限性。底部时间线突出了体外心脏模型演变的关键里程碑,并已获相关参考文献许可转载。(1991–2025);每张代表性图像均显示了比例尺:(比例尺 = 200 µm) (1991),(比例尺 = 100 µm) (1997), (2000),(比例尺 = 1 cm) (2002),(比例尺 = 2 µm) (2004),(比例尺 = 100 µm(左),20 µm(右)] (2009), (2017),(比例尺 = 100 µm(右上),20 µm(右下)] (2018),(比例尺 = 0.5 mm) (2019), (2021), (比例尺 = 2 mm (左), 50 µm (右)] (2022), (2024),(比例尺 = 2 mm (左), 1 cm (中), 2 mm (右上), 200 µm (右下)] (2025)。红色箭头表示收缩方向;蓝色箭头表示舒张方向。SR 肌质网,ECM 细胞外基质,AP 动作电位,EHT 工程心脏组织,hiPSC 人诱导多能干细胞,CM 心肌细胞,MPS 微生理系统,MΦ 巨噬细胞,EC 内皮细胞
该研究系统地对体外心脏模型的主要类别进行了分类和评估,包括单细胞分析、几何图案化单层、三维工程心脏组织、心脏类器官以及微生理系统(MPSs)。重点强调了它们在药物疗效测试、毒性筛选和心脏安全药理学中的应用。
1.1 单细胞、细胞对及定向单层体外模型
hiPSC-CMs的普及推动了可重复、高临床相关性的体外心脏模型发展。其中,微接触图案化技术能精确控制细胞与ECM的相互作用及细胞形态。早期研究显示,在长宽比7:1的矩形微图案上培养单个心肌细胞,可促进各向异性肌动蛋白聚合和定向肌原纤维组装(图2a)。对比圆形与矩形图案发现,各向异性约束有助于增强肌节结构(图2b)。将该方法扩展至细胞对,可在特定基底刚度下研究电机械耦合与连接蛋白动力学(图2c)。在此基础上开发的各向异性单层系统(即“2.5D组织”),使心肌细胞在线性图案基底上定向排列,实现协调收缩和定向传导。其力学性能通过肌肉薄膜(MTF)平台定量评估。该平台最初用PDMS基底测量收缩弯曲力,后改用明胶材料以提高生理刚度和培养稳定性(图2d)。后续创新如光遗传起搏驱动的MTF(Opto-MTFs),实现了收缩时空控制与钙成像同步。多材料3D打印则集成了嵌入式应变传感器,用于高含量药理分析。进一步改进包括纤连蛋白微图案和含绝缘起搏节点的双层结构(图2e),促进了对波前启动与传播的研究。缩小后的MTF几何结构提高了传导速度测量精度,增强了在心律失常建模和药物筛选中的实用性(图2f)。
图2:单细胞、细胞对和排列单层模型。a 肌动蛋白排列受心肌细胞形状调节,但不受基质弹性影响,肌节含量依赖于心肌细胞形状和基质弹性(比例尺 = 10 µm)。b 圆形和矩形微接触印刷细胞外基质岛上的心肌细胞(比例尺 = 10 µm)。c (上)细胞-细胞连接具有类 S 形轮廓。(下)基质刚度对位移、牵引应力和局灶粘附形成的调节(比例尺 = 10 µm)。d(左)利用微模塑明胶水凝胶构建各向异性心脏组织。(右)在微模塑明胶MTFs上长期培养人类iPSC来源的心肌细胞[比例尺 = 10 µm(左上),1 mm(右上),10 µm(底部)]。e 肌肉双层结构显示代表性的中观结构和微观结构。生物混合鱼在1.5个尾部摆动周期内的身体运动学和流体动力学[比例尺 = 50 µm(上),5 mm(下)]。f 钙波前等时线图(比例尺 = 50 µm)。经许可转载。ACM 致心律失常性心肌病,AR 纵横比,ChR2 通道蛋白-2,CM 心肌细胞,E 弹性模量,ECM 细胞外基质,MTF 肌肉薄膜,Veh 载体,WT 野生型
除了几何和结构控制外,hiPSC-CM单层细胞构成了一个稳健且可扩展的平台,用于人类心脏组织的早期体外药物测试。当以汇合、电耦合的单层细胞形式在多孔板中培养时,这些系统非常适合使用自动化成像、电生理和基于阻抗的分析进行高通量筛选。在综合体外促心律失常试验(CiPA)框架内,2D hiPSC-CM单层细胞作为主要的人类细胞模型。这些系统能够评估综合电生理反应,并提高对促心律失常风险的预测能力,超越了传统的hERG检测。尽管这些二维系统无法完全模拟天然心肌的生物力学复杂性或三维结构,但其高重现性、可扩展性以及与工业筛选流程的兼容性,使其成为初步心脏毒性评估中不可或缺的工具。因此,hiPSC-CM单层细胞为临床前心脏药理学提供了关键基础,并作为通往更具生理复杂性的三维工程心脏组织和腔室化心脏构建体的实用切入点。
1.2 工程化心脏组织和心室结构的先进3D模型
体外三维(3D)心脏模型提供了先进的平台,比传统的二维(2D)培养更紧密地模拟人类心脏的发育和生理过程。尽管2D单层培养被广泛用于高通量应用,但三维工程化组织提供了显著增强的结构和功能保真度,能够检测到在平面系统中通常无法检测到的病理生理表型。例如,hiPSC-CMs中与titin(TTN)突变相关的收缩功能障碍仅在三维微组织模型中被揭示。基于其结构和功能设计原理,先进的3D心脏模型大致可分为两大类:工程化心脏组织(EHTs)和类心室腔结构。这两类模型在模拟人类心脏力学、电生理行为以及疾病特异性表型方面各具优势。
工程化心脏组织(EHTs)
EHTs旨在通过将hiPSC-CMs与ECM组分整合,并施加特定的机械和/或电刺激,来模拟心肌微环境。早期的环形EHT构建体能够在环形几何结构中定量测量收缩力,同时促进肌节排列(图3a)。随后的研究表明,在发育早期阶段启动的电机械刺激能显著增强EHT的成熟度,使其呈现出类似成人的超微结构特征、有序的肌节、T管形成以及更生理性的钙处理(图3b)。Biowire II平台通过空间受限的电条件刺激生成心房和心室特异性组织,从而进一步推进了EHT技术,实现了心室特异性的药物反应测试(图3c)。近期的研究重点在于提高组织的成熟度、多细胞复杂性和生理相关性。在此背景下,EHT补片和多层人类心肌补片(hCMPs)在体内表现出增强的收缩性能和肌肉再生能力,在灵长类和人类心脏中均实现了功能性修复和电机械整合。这些结果代表了基于EHT的心脏疗法的一个重大转化里程碑(图3d)。与此同时,大型动物研究报告称,心外膜EHT同种异体移植在恒河猴中支持长期植入、血管整合和心室功能恢复,且未诱发心律失常或肿瘤形成,这进一步证实了临床可行性,并突出了关键的转化考量因素,包括移植物成熟度、免疫调节和良好生产规范(GMP)规模的生产。除了仅由心肌细胞组成的构建体外,加入非心肌细胞群体(如心脏巨噬细胞)已被证明能够增强hiPSC-CM的排列和力产生(图3e)。此外,采用内皮细胞(ECs)和成纤维细胞(FBs)的预血管化策略进一步改善了移植后的组织整合、灌注和功能稳定性(图3f)。
图3:工程化心脏组织模型。a(上图) 培养第1至4天,铸模中中央特氟龙圆柱体周围的EHT凝集。转移至拉伸装置后,在单向和循环拉伸(10%,2 Hz)下继续培养的EHT [比例尺 = 10 mm(上图),20 µm(下图-1),100 µm(下图-2),1 µm(下图-3, 4)]。 (下图) EHT由主要呈纵向排列的细胞束组成的致密网络构成。EHT中心肌细胞的肌节结构、细胞-细胞连接和基底膜的透射电子显微镜(TEM)图像。b 实验设计:将早期或晚期hiPSC-CMs及支持性成纤维细胞封装在纤维蛋白水凝胶中,形成跨越两个弹性支柱的组织,并通过电刺激使其收缩。截取横截面以评估T-管[比例尺=20 µm(左-1, 2, 3, 4),500 µm(中-上),10 µm(中-下),10 µm(右)]。经许可转载。版权所有 2018, Springer Nature。 c Biowire II平台生成心房和心室特异性以及异极性心脏组织[比例尺=30 µm(左-上-1, 2),0.5 mm(左下-1),200 µm(左下-2),2 mm(右)]。d 大规模EHT补片以剂量依赖方式恢复心脏功能[比例尺 = 2 mm(左上),20 µm(中上),20 µm(右上),500 µm(下-1),50 µm(下-2),250 µm(下-3, 4)]。 e 人类工程心脏组织(hECT)与心脏巨噬细胞整合以增强收缩力(比例尺 = 100 µm)。 f 预血管化心脏补片改善体内灌注和功能[比例尺 = 1 mm(上),100 µm(下-1),25 µm(下-2, 3, 4)]。A A带,CD45 白细胞共同抗原,CM 心肌细胞,cTnT 心肌肌钙蛋白T,Cx43 缝隙连接蛋白43,DAPI 4′,6-二脒基-2-苯基吲哚,EC 内皮细胞,H H带,hECT 人类工程化心脏组织,I I带,iCF 来自hiPSC的诱导心脏成纤维细胞,iCM 来自hiPSC的诱导心肌细胞,iMΦ 来自hiPSC的诱导巨噬细胞,M M线,mCherry 荧光蛋白(红色标记),MLC2a 肌球蛋白轻链2a,MLC2v 肌球蛋白轻链2v,SAA 血清淀粉样蛋白A,SR 肌质网,TT T管,WGA 小麦胚芽凝集素,YAP Yes相关蛋白,Z Z线,α-actinin α-辅肌动蛋白
1.3 心室腔模型
除了线型组织构建体外,心室腔模型旨在模拟人类心脏的宏观几何结构和生物力学泵血功能。这些系统能够定量评估压力-容量(P-V)关系、射血分数(EF)以及定向组织的电传导,这些都是转化和功能评估的关键参数。早期实例包括工程化心脏类器官腔室和基于微型球囊导管的构建体,它们能够再现前负荷敏感性和电响应性(图4a)。随后,利用旋转成型、三维生物打印或水凝胶铸造制备的组织工程心室模型,已成功复制了具有解剖学意义的心室腔曲率和壁结构。三维生物打印技术的最新进展进一步扩展了对心室模型结构和功能的控制。显著的例子包括:利用悬浮水凝胶自由形态可逆嵌入(FRESH)技术打印的胶原蛋白心室、使用纤维增强明胶基生物墨水制备的心室(图4b),以及利用甲基丙烯酰化明胶(GelMA)和甲基丙烯酰化胶原蛋白(ColMA)生物墨水构建的人类腔室肌肉泵(hChaMP)(图4c)。与此同时,能够复制螺旋状心肌纤维排列的旋转喷射纺丝支架,使心室构建体能够表现出心尖扭转和从基底部到心尖部的收缩模式,与天然心脏力学高度相似(图4d)。最近的研究表明,包含心肌细胞(CMs)、人类诱导多能干细胞衍生心肌细胞(hiPSC-CMs)、内皮细胞(ECs)和成纤维细胞(FBs)的多谱系心室构建体能够维持长期的功能稳定性与药理反应性,支持其作为药物测试和疾病建模的高级平台进行应用。总体而言,这些三维心室系统填补了传统体外实验与天然人类心肌之间的空白,为药物筛选、机制研究和再生应用提供了具有生理相关性的工具。
图4:心室腔模型。a 工程化人类心室类器官腔室(hvCOC)[比例尺 = 5 mm (1), 50 µm (2), 20 µm (3), 500 nm (4)]。 b 3D打印过程中剪切力(τ)作用下发生的纤维排列,导致3D支架中出现天然细胞外基质(ECM)各向异性结构特征,促进组织排列和组织化,以模拟体内心肌。3D心室模型的结构、电生理和收缩特性(比例尺 = 50 µm)。c 优化的生物墨水配方与人类iPSCs结合,通过生物打印形成hChaMP [比例尺 = 2 mm(左上),5 mm(右上),5 mm(左下),5 µm(右下)]。经许可转载。 d 聚焦旋转喷射纺丝用于制备螺旋结构 [比例尺 = 20 µm(上),2 mm(下)]。COXIV 细胞色素c氧化酶亚基IV,CMs 心肌细胞,cTnI 心肌肌钙蛋白I,Cx43 缝隙连接蛋白43,DAPI 4′,6-二脒基-2-苯基吲哚,ECM 细胞外基质,FN 纤连蛋白,PIV 粒子图像测速法,GelMA 明胶甲基丙烯酰,ColMA 胶原甲基丙烯酰,LN 层粘连蛋白,Kir2.1 内向整流钾通道,FRJS 聚焦旋转喷射纺丝
虽然工程化心脏组织和心室模型能够宏观模拟心肌结构和泵血功能,但最近CO技术的进步使得能够自下而上地生成微型化、自组织的器官单元,这些单元能够密切模拟早期人类心脏发育和细胞多样性。因此,接下来的部分将重点介绍心脏类器官的新兴领域及其在临床前药物评估中的潜在应用。
1.4 类器官
类器官是自组织的3D细胞培养系统,通过自发的空间模式形成以及内在的细胞-细胞和细胞-细胞外基质相互作用,重现天然组织的基本结构和功能特征。心脏类器官主要来源于hiPSCs,通过在结构化区域内整合多种心脏谱系(包括CMs、ECs、心外膜细胞和间充质基质细胞),模拟人类心脏发育的早期阶段。
这些系统展现了标志性的形态发生过程,如管腔形成、腔室化区室化以及协调的谱系特化,为在生理相关条件下研究心脏发育、先天性心脏缺陷以及谱系间相互作用提供了强大的平台。心脏形成类器官(HFOs)是较早的心脏类器官模型之一,能够重现心脏中胚层与前肠内胚层之间的时空协调,这是原始心管形成过程中的关键相互作用(图5a)。通过双相WNT信号调节和Matrigel包埋,HFOs能够产生血管和横隔膜样组织,模拟早期心脏发育的微环境。
图5:类器官模型。a 心脏类器官,心脏中胚层与前肠内胚层共同发育,模拟心管形成 [比例尺 = 200 µm(左上),100 µm(右上),200 µm(底部)]。b 自组织空腔形成的心脏类器官,模拟早期心脏区域和管腔形成 [比例尺 = 1 µm(顶部),200 µm(左下),50 µm(右下)]。c 捕获心外膜形成和EMT过程的类心外膜结构[比例尺 = 200 µm(左上),100 µm(中上),50 µm(右上),50 µm(底部)]。经许可转载。 d 具有空间模式化心房和心室区域的多腔室心脏类器官[比例尺 = 200 µm]。e 共同发育心脏和造血谱系的多血生成类器官[比例尺 = 500 µm]。f 整合肝脏和内皮前体细胞的血管化心脏类器官 [比例尺 = 1 mm(左上),0.5 mm(右上),0.5 mm(左下),100 µm(中下),20 µm(右下)]。IC 内核,ML 中层,OL 外层,WT1 Wilms 肿瘤 1,EPDCs 心外膜衍生细胞,EMT 上皮-间充质转化,ID 闰盘,RA 右心房,LV 左心室,RV 右心室,BG-HFO 造血心脏形成类器官,MES 间充质,CMs 心肌细胞,ECs 内皮细胞,SMCs 平滑肌细胞,cVO 心脏血管化类器官
心脏类器官通过内在自组构机制,成功模拟了管腔形成、体腔形成及早期心室形态发生(图5b)。转录因子(如HAND1、NFATC1)的空间差异表达,进一步体现了其在解析心脏形态发生遗传调控中的价值。心室形成类器官在无外界机械刺激下,构建出具备房室分区、分层心肌和心内膜的空腔结构,拓展了模型复杂度。伸长型多谱系组织(EMLOC)神经心脏原肠类器官则实现了神经外胚层与心脏中胚层的协同发育,支持早期神经-心脏通讯研究。心外膜类器官尤为关键,它再现了心外膜形成、上皮-间充质转化(EMT)及其与心肌和冠状动脉祖细胞的动态互动,对血管发育和纤维化重塑具有重要意义(图5c)。多心室类器官系统展示了空间有序的心房与心室区域,可高分辨率建模心室特异性发育异常及疾病表型(图5d)。造血心脏类器官能同时生成心内膜、心肌及造血内皮谱系,重现心血管与造血系统的整合发育(图5e)。基于原肠胚类器官的最新模型进一步拓展了该领域:人类原肠胚样结构可自组织形成早期心脏与肝脏血管区域,模拟中胚层与内胚层的协调发育(图5f),为研究早期血管化、跨胚层互作和器官间模式形成提供了强大平台,连接了发育生物学与再生心脏模型。
然而,心脏类器官主要适用于早期发育、先天性疾病及多细胞互作研究。其形态发生具有随机性,对生物物理线索的控制有限,限制了在标准化药理测试和心律失常评估中的应用。基于类器官提供的发育见解,微生理系统(MPSs)作为互补平台,具备明确微结构、可控灌流和可编程电刺激,能精确调节机械负荷并实现实时电生理测量,更适用于高通量药物筛选和心脏安全药理学研究(表1)。
表1 心脏类器官(CO)
与芯片心脏(HoC)系统的比较
hiPSC 人类诱导多能干细胞;FDA(美国食品药品监督管理局);EMA(欧洲药品管理局);NAM 新方法学;CiPA(全面体外致心律失常试验);ICH(国际协调会议)
1.5 微生理系统(MPSs)
微生理系统(MPSs),通常被称为器官芯片,代表了对传统临床前动物模型的变革性进步。通过减少转化差异,这些系统提高了临床可预测性。这些平台将活体组织整合到微流控设备中,这些设备旨在模拟天然器官的结构、微环境和动态功能。在心血管领域,心脏特异性MPSs,特别是HoC系统,旨在忠实地再现关键的生理特征,包括电传导、机械收缩和药理反应性。与适合模拟早期心脏形态发生和发育障碍的自组织COs不同,HoC平台提供了精确的实验控制。这包括对灌注、电起搏、机械负荷和药代动力学微环境的时空调节(表1)。HoC系统在标准化药物筛选、促心律失常风险评估以及在明确条件下实时评估收缩和电生理功能方面具有显著优势。
为了进一步模拟系统生理学,多器官芯片(Multi-OoC)技术已被开发出来,以实现心脏、肝脏和血管组织之间可控的器官间通讯。这些集成平台对于评估由药物直接作用以及肝脏代谢或免疫介导反应的间接影响所引起的心脏毒性具有重要价值,从而增强了体外安全性和有效性测试的生理相关性。
早期的MPS设计将MTFs与微流控架构相结合,实现了在动态流动条件下对收缩反应的实时测量,从而促进了更高通量的药物筛选。随后,引入接受机械刺激的三维心脏微组织,进一步改善了细胞排列、组织紧实度和收缩力的产生(图6a)。与此同时,代谢驱动的成熟策略通过改善钙处理和肌节组织,增强了hiPSC-CM的功能。直接激光书写(DLW)技术的出现,使得能够制造出包含嵌入式换能器的精密工程化HoC器件,用于实时电生理传感和受控灌注。疾病建模能力也得到了显著提升。例如,梗死边缘区芯片系统通过重建空间氧梯度来模拟缺血再灌注损伤,揭示了区域特异性的生理和电生理反应(图6b)。将免疫组分整合到血管化心脏芯片(HoC)平台中,使得研究炎症诱导的心脏功能障碍的机制成为可能。在这种背景下,细胞外线粒体DNA已被确定为病理性炎症信号的扳机,而基于外泌体的治疗方法可以减轻这种信号(图6c)。此外,整合了原始巨噬细胞的平台在长时间培养期间表现出持续的血管化和组织功能维持(图6d)。最近,由内皮细胞(ECs)、成纤维细胞(FBs)和人类诱导多能干细胞衍生心肌细胞(hiPSC-CMs)组成的三培养系统在持续灌流下实现了同步收缩和长期功能稳定性,从而能够进行稳健且可重复的功能评估。与此同时,多器官芯片(multi-OoC)平台近年来在模块化和生理整合方面取得了进展。早期系统采用了即插即用的设计,允许对单个组织模块进行定制化组装。这些架构现已演变为用于模拟肝脏-心脏相互作用的集成平台,从而能够研究代谢介导的心脏毒性。更先进的设计现在将多个类器官整合在单个可灌流的回路中,允许在相互连接的组织中同时进行药物测试,并产生全面且具有人类相关性的安全性概况(图6e)。hiPSC衍生的心脏-肝脏芯片已被证明在预测药物诱导的心律失常和肝毒性方面有效。最先进的迭代版本具有血管化和成熟度增强的类器官,这些类器官通过功能性流动网络相互连接,模拟营养输送、激素信号传导和全身病理生理学(图6f)。
图6:微生理系统。a 微工程心脏组织中机械刺激与微流控的结合,以促进跳动的心脏芯片格式中的组织功能[比例尺 = 100 µm(左),100 µm(右)]。经许可转载。 b 心肌梗死边缘区芯片系统的构建,用于模拟缺血后的氧气梯度和空间组织重塑[比例尺 = 10 mm(上),20 µm(左下),1 mm(右下)]。c 结合巨噬细胞的免疫增强型血管化心脏芯片模型,用于模拟心肌炎症并评估免疫调节疗法[比例尺 = 200 µm]。d 通过引入原始巨噬细胞实现心脏芯片的长期血管化,促进工程化心脏组织中的稳定灌注[比例尺 = 100 µm(左上),10 µm(右上),250 µm(左下),100 µm(右下)]。e 源自hiPSCs的多类器官芯片,用于评估抗抑郁药诱导的全身毒性[比例尺 = 100 µm (i, ii), 200 µm (iii, iv)]。f 一种血管连接的多组织平台,通过可灌注的血管连接成熟的器官室[比例尺 = 50 µm (顶部), 10 µm (底部-1), 50 µm (底部-2, 3, 4)]。µECT 微工程心脏组织,PDMS 聚二甲基硅氧烷,MI 心肌梗死,EVs 细胞外囊泡,DPSC 牙髓干细胞,MAC/MΦ 巨噬细胞,ALB 白蛋白,CYP450 细胞色素P450,OoC 器官芯片,HoC 心脏芯片,hiPSCs 人诱导多能干细胞,HUVECs 人脐静脉内皮细胞,PBMC 外周血单核细胞
MPS和多性向器官芯片(multi-OoC)技术的进步正在重塑临床前心脏研究,提供了具有生理相关性且可扩展的人源化平台。与这些技术发展并行的是,监管机构的关注度也在提升,美国食品药品监督管理局(FDA)和欧洲药品管理局(EMA)等机构已将基于MPS的方法认可为心脏安全性评估的关键新方法学(NAMs)。在包括CiPA和修订后的ICH S7B/E14问答框架在内的倡议支持下,这些工作强调了严格的电生理验证、代谢能力以及与临床一致的基准数据集。确保MPS平台的转化可靠性需要标准化的多参数评估框架,该框架需整合结构、功能、分子和代谢分析。
1.6 心脏模型的全面评估:结构、功能、分子和代谢评估
评估体外心脏模型的转化相关性需要一个多维框架,涵盖结构完整性、生理功能、分子特性和代谢能力(图7)。这些互补的维度共同确保工程化心脏组织能够忠实地反映天然人类心肌的关键特性。
图7:用于体外心脏模型全面表征的多模态读数。用于评估工程化心脏组织和类器官的结构、基因表达和功能参数的示意图概述。(左上)结构读数涵盖宏观结构(如肌肉排列、心室形成)和微观结构,包括细胞外基质组成、肌节蛋白、连接复合物和亚细胞细胞器。(右上)基因表达分析整合了空间和单细胞转录组学,以绘制组织结构、时空异构体切换,并预测细胞间通讯通路。(底部)功能读数包括电生理(如动作电位持续时间、心律失常模式)、力学(兴奋-收缩偶联、钙瞬变、肌节缩短)和代谢(线粒体呼吸、糖酵解活性),从而实现对心脏功能和疾病表型的全面评估。SCN5A钠电压门控通道α亚基5(NaV1.5), SER 肌质网, PLN 磷酸节律蛋白, RYR2 瑞安诺定受体2, ACTA1 肌动蛋白α1亚基, MYBPC3 心肌肌球蛋白结合蛋白C, TPM1 原肌球蛋白1, MYH6 肌球蛋白重链6 (α-MHC), MYH7 肌球蛋白重链7 (β-MHC), TNNT2 肌钙蛋白T2, TNNI3 肌钙蛋白I3, TTN 肌联蛋白, N2BA/N2B 肌联蛋白异构体, LMNA 核纤层蛋白A/C, RBM20 RNA结合基序蛋白20, TAZ 塔法辛, DNAJC19 DnaJ热休克蛋白家族成员C19, BIN1 桥接整合蛋白1, JPH2 结蛋白2, DSP 桥粒斑蛋白, DSG 桥粒粘蛋白, DSC 桥粒胶蛋白, PKG 斑蛋白, FPD 场电位持续时间,APD /APD /APD 动作电位时程在30%、50%、90%复极化时,EAD 早期后除极,DAD 延迟后除极,SERCA2 肌质网钙-ATP酶2,SL 肌节长度,CaT (F/F ) 钙瞬变,Tau 钙瞬变衰减时间常数,LTCC L型钙通道,NCX 钠/钙交换体,NKA 钠/钾-ATP酶,ATP 三磷酸腺苷,PGC1A 过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1-α,TFAM 线粒体转录因子A,CPT1B 肉碱棕榈酰转移酶1B,FCCP 羰基氰基-p-三氟甲氧基苯腙,2-DG 2-脱氧葡萄糖,ECAR 细胞外酸化率,OCR 耗氧率,ECM 细胞外基质
结构评估关注心肌细胞的肌节、闰盘和骨架,覆盖从组织到亚细胞的多尺度特征。常用方法包括免疫染色结合共聚焦或超分辨显微镜,标记α-辅肌动蛋白、Cx43及桥粒蛋白(如DSP、DSG),以观察肌原纤维和连接结构。
功能评估聚焦兴奋-收缩偶联:去极化激活钙通道,促使肌质网释放Ca²⁺,Ca²⁺结合肌钙蛋白C引发收缩;舒张期则通过SERCA、NCX和PMCA回收或排出Ca²⁺。可用膜片钳、多电极阵列、钙成像(如Fluo-4、GCaMP)及力学分析(如牵引力显微镜)进行定量评估,综合判断心肌细胞的成熟度与机电功能。
分子谱分析通过解析谱系、成熟度和疾病特征深化表型。bulk RNA测序用于通路分析,单细胞测序揭示细胞异质性与发育轨迹,空间转录组(如Slide-seq、Visium)保留结构信息绘制区域表达图谱。蛋白质组与表观组补充转录组无法直接获得的调控网络。
代谢评估表明,心肌细胞成熟过程中会从糖酵解转向氧化磷酸化。可采用细胞外通量分析(Seahorse)、线粒体成像及代谢/脂质组学进行评估。整合结构、功能、分子与代谢数据,可系统验证体外心脏模型,为AI辅助优化和体外-体内转化提供基础。深度学习模型(如多模态Transformer、图神经网络)正用于揭示形态-功能-代谢关联,实现自动表型分类与心脏毒性早期检测。例如,深度学习可识别千余种化合物中的细微心脏毒性表型;同时,预测性模拟与计算模型(如机器学习优化的仿生心脏、整合异质性细胞的计算MEA模型)提升了药物安全性预测的准确性。这些综合性和数据驱动的策略代表了建立稳健的人类相关心脏平台的重要一步,这些平台将支持下一代精准药理学和心血管疗法。
2. 应用
2.1 基础研究:人类心脏发育与心肌细胞成熟
利用人类诱导多能干细胞(hiPSCs)建立具有生理相关性的体外心脏模型,需要对两个关键生物学过程有基础性的理解:人类心脏发育和心肌细胞(CM)成熟。阐明这些过程为生成先进的心脏类器官、工程化心脏组织(EHTs)以及疾病特异性心脏模型提供了必要的发育和功能框架。此外,这些知识对于研究先天性和获得性心脏病的潜在机制至关重要,能够助力开发靶向治疗策略,并推动心脏病学领域的精准医疗发展。总而言之,对人类心脏发育的深入理解以及促进hiPSC-CM成熟的方法,共同构成了构建下一代体外心脏平台所需的生物学基础。
2.2 利用心脏类器官研究人类心脏发育的进展
心脏类器官平台已成为模拟人类心脏发育早期阶段的强大工具。这些系统重现了心脏发育的关键过程,包括心脏中胚层诱导、第一和第二心脏场特化、心室形态发生以及血管谱系的协调发育。它们的自我组织能力使得能够对复杂的时空发育过程进行可控且可重复的研究,而这些过程在体内很难进行研究。最近的创新提高了基于类器官的早期心脏发育研究的分辨率和机制保真度。这些平台促进了对心脏发育过程中谱系特化、空间模式形成和信号动态的机制性理解。除了心脏特异性模型外,还开发了先进的多谱系类器官,以在体外模拟整合的人类胚胎发育。例如,通过调节hiPSC聚集体中的Wnt信号通路,已成功培育出包含心脏、内胚层和外胚层组织的类器官,重现了早期前肠-心脏轴的相互作用。原肠胚类平台支持心脏和肝脏血管的共同发育,并模拟造血和心脏谱系的同步出现。此外,心外膜类系统能够模拟血管发育过程中心外膜片层的形成以及心肌的相互作用。这些先进的类器官技术,包括心类器官、原肠胚类和心外膜类,为研究人类跨胚层的心脏发育提供了高分辨率的体外平台,为组织模式形成和谱系间的相互作用提供了新的见解。
2.3 促进心肌细胞成熟的策略
hiPSC-CMs的主要问题是结构和功能不成熟,限制了其应用。促进成熟对提高体外心脏模型的生理相关性至关重要。成熟的hiPSC-CMs更接近成人心肌反应,有助于药物测试、疾病建模和再生治疗。为此,已发展出多种成熟策略:生物材料支架提供生物力学信号,促进肌节排列和收缩功能;机械与电刺激模拟生理负荷和起搏,增强细胞骨架、线粒体和钙处理能力,推动电生理成熟;与非心肌细胞(如成纤维细胞、内皮细胞)共培养,通过旁分泌和邻分泌信号改善功能与组织结构。代谢和激素调节也起关键作用:诱导脂肪酸氧化,结合T3和糖皮质激素,可促进电生理与代谢成熟。这些综合策略提升了肌节组织、力产生、动作电位、钙瞬变和氧化代谢等关键特征,从而显著增强hiPSC-CMs在疾病建模、药物筛选和转化研究中的实用性。持续研究心肌细胞成熟机制,将推动更具预测性和临床相关性的体外心脏平台发展。结合对人类心脏发育理解的加深,这些策略为下一代心脏模型奠定基础,最终实现模拟人类心血管疾病生理和病理特征的转化价值。
2.4 心脏疾病建模
hiPSC-CMs通过提供患者特异性、无伦理争议且可基因编辑的平台,革新了心脏疾病建模。与胚胎干细胞不同,hiPSC来源于体细胞(如皮肤成纤维细胞或血细胞),可建立患者来源的心脏模型,保留个体遗传背景,同时规避伦理问题。结合CRISPR/Cas9基因编辑技术,可精确插入、修复或敲除致病变异,配合对照细胞系,将表型直接归因于特定基因改变,尤其适用于单基因疾病和靶向治疗评估。
hiPSC心脏疾病模型分为两大类:遗传性模型——通过患者来源的hiPSC或基因编辑引入突变构建,重现内在病理特征;获得性模型——对健康hiPSC-CMs施加缺氧、炎症因子、电起搏或代谢压力等外源刺激,模拟环境或系统性损伤。这些平台为解析遗传性与获得性心脏疾病的机制、心律失常及治疗反应,提供了遗传定义明确、患者特异性的模型,是精准疾病建模和靶向治疗开发的强大工具。
遗传性心脏疾病建模
遗传性心脏病源于影响离子通道、肌节蛋白、发育调节因子和代谢途径的致病突变,最终导致心脏电不稳定、收缩功能障碍和形态发生异常。
(1)LQTS(表2)是一种典型的离子通道病。
表2 遗传性体外心脏离子通道病模型
(2)、遗传性心肌病也在体外得到了广泛研究(表3)
表3 遗传性心肌病的体外模型
(3)、先天性心脏缺陷(表4)已通过在发育调节因子(如HAND1、TBX5、ISL1、NKX2.5和FOXF1)中引入突变来模拟。携带这些突变的类器官(COs)显示出心腔形成受损、心房和流出道畸形、收缩延迟以及心室形态发生异常,从而突显了心律失常底物的发育起源。
表4 遗传性先天性心脏病(CHD)的体外模型
(4)、遗传性代谢紊乱也会导致结构和电生理功能障碍(表5)。法布里病(GLA)模型显示Gb3蓄积、肥厚、Ca²⁺处理异常和兴奋性增高。丹农病(LAMP2)重现了自噬受损、氧化应激、肌节紊乱和肥厚,而庞贝病(GAA)则再现了糖原过载、动作电位时程(APD)延长、钙动力学受损和收缩功能障碍。这些遗传性心脏病模型阐明了遗传扰动与致心律失常性重构之间的直接机制联系,并为测试突变特异性疗法和推进精准心脏病学研究提供了强大的体外平台。
表5 遗传性心脏代谢疾病的体外模型
这些遗传性心脏病模型阐明了遗传突变 → 致心律失常重构的直接机制联系,为突变特异性疗法和精准心脏病学提供了体外平台。
3. 模拟获得性心脏疾病
获得性心脏疾病源于环境压力、全身性疾病或生理负荷,可通过在体外对hiPSC-CMs施加特定刺激来模拟。这些疾病虽非遗传性,但会引起电生理和收缩功能的不良重构,为研究心律失常提供临床相关模型(表6)。
心肌梗死(MI):通过冷冻损伤(诱导纤维化和心肌坏死)、氧梯度+去甲肾上腺素(引发代谢重编程、纤维化和钙失调)或氯化钴化学缺氧(模拟细胞死亡和心律失常表型)来建模。
心肌缺血:在微流控平台上构建空间氧梯度,导致钙处理受损、收缩力下降和炎症反应。再灌注后乳酸恢复,模拟缺血-再灌注过程。
心力衰竭:通过慢性儿茶酚胺刺激EHTs诱发,表现为收缩功能下降、心肌肥大和利钠肽升高。
心动过速性心肌病:采用慢性光遗传学快速起搏,缩短动作电位和不应期,增加心律失常风险。
糖尿病心肌病:在高血糖+脂毒性条件下培养心肌细胞,出现肌节紊乱、氧化应激、脂质堆积、肥大和钙处理异常。
炎症性心肌病(心肌炎):使用促炎细胞因子(IL-1β、TNF-α、IFN-γ)或病毒模拟物诱导,导致肌节丢失、电生理不稳定和细胞因子释放。内皮外泌体可部分逆转这些表型。
这些获得性疾病模型能有效捕捉非遗传性心脏病理的多因素特征,为研究心律失常机制和评估治疗干预提供了机制相关的体外平台。
表6 遗传性心脏代谢疾病的体外模型
2.5 利用多器官平台进行心脏毒性评估与药物筛选
心脏毒性仍是药物开发中的主要挑战,尤其是对非心血管靶点的化合物而言。准确评估心脏毒性风险需考虑器官间相互作用(如肝脏代谢对心脏功能的影响),而传统单细胞培养系统往往忽略这些因素。为此,多器官芯片(Multi-OoC)平台应运而生,通过整合多种组织类型,在人类模型中实现具有生理相关性的全身性药物反应评估。
尽管现有研究增进了对急性和短期心脏毒性的理解,但临床相关的心脏毒性往往具有慢性和累积特征。大多数体外实验仅持续数小时至数天,而临床心脏毒性常在连续暴露数周或数月后出现。这一时间上的不匹配构成了临床前测试与临床观察之间的关键差距。因此,建立并系统分类长期心脏毒性模型,对提高预测准确性和转化相关性至关重要。
在芯片平台上长期培养hiPSC-CM组织,可持续监测收缩力下降、钙处理受损、电生理不稳定性增加等进行性功能恶化——这些均为慢性心肌病的典型特征。长期培养中保持组织的稳定性和成熟度,有助于深入理解持续药物暴露下的代谢适应、线粒体应激和纤维化样重塑。因此,未来心脏毒性评估应纳入长期动态培养和重复给药模式,以更真实地模拟慢性暴露场景,弥合实验模型与临床结果之间的差距。
2.6 再生医学与工程化心脏组织的治疗潜力
体外培育的工程化心脏组织在再生医学中日益受到关注,尤其是用于修复心肌梗死后的受损心肌。其中,心脏补片和心脏类器官(COs)在基于移植的疗法中展现出巨大潜力。
心脏补片通常由人诱导多能干细胞源性心肌细胞(hiPSC-CMs)结合纤维蛋白、胶原蛋白或合成聚合物等生物材料支架制成。移植至梗死心脏后,此类构建体已显示可部分恢复收缩功能,并存在与宿主心肌电耦合的证据。COs能自组织成模拟早期心脏发育的三维结构,同样被作为修复性移植物进行研究。例如,将hiPSC来源的COs移植至心肌梗死小鼠模型中,可促进新生血管形成,并部分恢复心肌结构与功能。
为进一步优化移植效果,近期的一些研究强调了预血管化策略,包括与内皮细胞共培养及加入血管内皮生长因子(VEGF)等促血管生成因子。这些方法有助于加速与宿主血管的吻合、改善移植物灌注并减少植入后缺血性坏死。与此同时,免疫工程领域已通过靶向敲除HLA I类和II类基因,以及过表达免疫调节分子(如PD-L1),开发出低免疫原性iPSC系。这些基因修饰显著降低了宿主免疫排斥反应,延长了异体移植物的存活时间。
03
挑战
Challenges
3.1 当前hiPSC衍生心脏模型的技术局限性
尽管hiPSC心脏模型取得了重要进展,但仍难以完全复现成人心脏的生物学复杂性,主要体现在以下几个方面:
1. 心肌细胞不成熟:hiPSC-CMs保留胎儿样特征,缺乏致密肌节、横管系统,钙处理和代谢不成熟(倾向糖酵解而非脂肪酸氧化),导致收缩力、传导速度和生理反应性受限。
2. 细胞异质性与变异性:即使同源细胞系也存在系间差异,影响分化效率和功能读数。不同实验室因细胞系、方案和培养条件不同,结果往往不一致,降低了可重复性和可比性。
3. 微环境重建不足:工程化心脏构建物多使用简化基质,难以复现天然ECM的生化、结构和力学特性,缺乏各向异性纤维排列、刚度梯度和生理性细胞-基质信号。
4. 缺乏功能性血管化:无灌注性毛细血管网导致氧气和营养扩散受限(仅几百微米),引起缺氧核心、代谢压力和细胞死亡,是厚组织中坏死核心形成的主因。构建稳定可灌注微血管网络仍是重大工程挑战。
5. 多细胞整合困难:将心肌细胞、成纤维细胞、血管细胞和免疫细胞整合至同一构建体中,因各细胞成熟时间、代谢需求和信号依赖不同,易出现某类细胞占主导或成熟不良。
6. 电机械失配:上述限制导致工程组织与宿主心肌间电学和力学耦合不良。未成熟hiPSC-CMs可能引发传导阻滞或心律失常,力学不匹配则损害力的有效传导。
综上,细胞成熟度、组织结构、血管化和宿主整合等方面的局限,要求持续生物工程创新,以提升模型的生理保真度、鲁棒性和转化实用性。
3.2 转化研究与临床应用中的挑战
将hiPSC心脏模型从实验室推向临床面临多重转化挑战。
可扩展性是主要瓶颈之一。目前分化方案耗时、费力且批次差异大,难以稳定生产大量功能一致的hiPSC-CMs或大尺寸组织构建体。小尺寸类器官虽易培养,但结构功能不成熟;大尺寸组织更接近心肌结构,却易出现核心坏死和细胞整合不足,难以兼顾生理相关性与可制造性。
供体与细胞系间变异性也很突出。不同hiPSC系即使来自健康个体,也可能在电生理、成熟度和药物反应上存在差异,干扰表型与药效的准确归因。标准化方案和表型表征可缓解此问题,但无法完全消除异质性。
监管认可仍是瓶颈。尽管FDA等机构已将hiPSC-CM模型视为新兴方法学,但其对监管决策的影响仍有限,主要因为研究缺乏明确应用场景,或未能将体外表型与临床风险有效关联。需要标准化性能指标和基于临床数据的系统验证。
体外与临床现实的差距依然存在。现有模型难以再现神经体液调节、免疫交互和循环反馈等系统性因素,且hiPSC-CM的不成熟表型限制了对成人疾病和长期药效的模拟。解决这些问题需提升组织成熟度、多细胞复杂性和长期培养稳定性,并积累连接体外数据与患者结局的大规模证据。目前,hiPSC心脏平台更应作为现有临床前模型的补充,而非替代。
3.3 临床前药物评估与安全性测试的局限性
hiPSC心脏平台在临床前药物评估中日益重要,但仍存在明显局限。
优势方面:hiPSC-CMs显著改善了某些心脏毒性的检测,尤其是促心律失常风险评估。多电极阵列(MEA)可揭示药物引起的复极化改变和早期后除极,这些在动物模型中可能被忽略。CiPA倡议已证明其对QT延长和心律失常风险具有更符合人体生理的预测能力。
主要局限
毒性机制覆盖不全:对hERG阻断剂等离子通道干扰物预测效果好,但难以检测蒽环类药物诱导的慢性结构性心脏毒性或长期功能损害。多数研究仅观察数小时至数天的短期反应,而临床毒性常在用药数周至数月后才出现。
长期培养技术挑战:重复给药期间维持稳定的类成人心肌功能仍困难。部分3D模型虽能通过持续病理压力诱导慢性损伤表型,但实验复杂、通量低,尚未常规用于药物测试。
PK/多器官因素整合不足:体内药物反应受代谢、分布和脱靶效应影响。心肝共培养等多器官系统可揭示代谢物介导的毒性,但面临培养基优化、流速匹配、器官比例及通讯标准化等挑战,目前缺乏通用的标准化“人体芯片”平台。
计算整合作为补充:AI/ML技术可融合多模态数据训练毒性预测模型,自监督和Transformer架构在检测细微异常方面优于传统方法,支持自动化筛选和患者特异性风险分层。但广泛采用仍需标准化数据管道和基准测试框架。
监管认证仍为关键:FDA和EMA等机构强调人类相关新方法学的资质认定。CiPA及修订后的ICH S7B/E14框架突出了标准化电生理验证、可重复功能基准及临床一致性证明的重要性。未来进展不仅依赖生物工程和计算创新,还需建立协调统一的验证流程、参考化合物库及跨实验室可重复性标准
04
总结与展望
Summary and Outlook
hiPSC衍生的体外心脏系统是药物评估与再生医学的重要突破。它能重现人类心脏的电生理、收缩及药理特性,克服了动物模型和细胞系的局限。三维心脏组织工程(如类器官、芯片系统)进一步提升了模型真实性,支持长期培养和多细胞整合,更准确模拟慢性药物反应和患者表型。基于hiPSC的检测已被纳入安全药理学的CiPA框架,并逐步获得监管认可。在临床应用方面,心脏补片等移植物在动物模型中实现了部分心肌再生,早期临床试验也显示出良好的安全性,展现了治疗潜力。
主要挑战包括:心肌细胞不成熟、血管化不足、细胞系间差异,以及缺乏标准化制造与验证流程。目前,生物制造、AI、免疫调节等跨学科努力正积极应对这些问题。
未来,AI多模态分析、患者特异性基因组信息与多器官芯片的结合,将提升心脏毒性预测和精准筛选能力。关键发展方向包括:(i) 多模态深度学习框架;(ii) 生成式与自监督AI平台;(iii) 标准化数据管线与云原生心脏数据仓库;(iv) 面向个性化医疗的患者匹配hiPSC模型;(v) 可扩展的GMP级生产流程。随着生物工程、计算与监管科学的融合,hiPSC心脏平台有望革新传统测试范式,开启精准、可操作的心血管创新时代。
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