【Cell Stem Cell】：电信号解锁成年哺乳动物心外膜细胞内皮分化潜能

研究背景

心肌梗死（myocardial infarction, MI）后梗死区发生持续性病理性电传导重塑，跨壁传导速度下降、局部传导离散度升高。该异常既是80%–85%急性MI患者发病48h内出现室性心律失常的核心诱因，也会引发心肌收缩不同步，阻碍心肌损伤修复。现有起搏器仅能通过外源性电刺激维持心跳节律，无法消除梗死区与正常心肌间的电传导不连续性，属于姑息性干预，难以实现根源性修复。更为重要的是，目前对于心梗的治疗策略多聚焦血供重建，却忽略心脏作为典型电兴奋器官，梗死后局部电微环境的紊乱对修复细胞本身命运的影响。

胚胎发育阶段，心外膜来源细胞（epicardium-derived cells, EPDCs）是冠状动脉形成的关键细胞来源。但在成年哺乳动物体内，心肌梗死后EPDCs能否分化为内皮细胞、参与梗死区功能性血管重建，这一问题在领域内长期存在巨大争议。梗死区局部电微环境的改变，会深刻重塑受损心肌中的细胞命运。心梗后梗死区电传导的紊乱，或许正是锁住成年EPDCs再生潜能的“枷锁”；重建梗死区电传导，有望解锁EPDCs的内皮细胞分化能力。

围绕这一空白，南方医科大学邱小忠教授等团队开展了本研究：构建梯度电导率心脏补片并联合EPDCs遗传谱系示踪体系，整合大量电生理检测与分子机制研究，系统解析了心梗后不同电学微环境对成年EPDCs细胞命运的调控规律。结果发现，EPDCs的活化存在显著的电导率依赖性，匹配天然心肌电导率（10^-4–10^-3 S/cm）的导电补片重建的局部电信号，可定向驱动成年EPDCs发生内皮分化，促进心梗后血管新生并改善心脏功能。单细胞转录组测序进一步阐明机制：导电补片重建的的电学微环境驱，驱动EPDCs转变为一类WT1⁺TRPC3⁺CD93⁺过渡态细胞（TCs），该细胞依靠TRPC3-Ca²⁺信号轴完成向内皮细胞的分化，并最终整合进功能性新生血管。该研究表明，重建梗死区电传导可有效解锁成年EPDCs的内皮分化潜能，为心肌梗死后修复提供了一种极具潜力的新策略。

研究方法
制备具有梯度导电性能的GelMA基导电贴片；体外借助氯化钴构建缺氧模型，模拟心梗后梗死区微环境，诱导心外膜细胞损伤，采用活死染色、EdU增殖检测、免疫荧光、流式细胞术、钙瞬变记录、ELISA等技术开展细胞水平功能评价。

构建EPDCs谱系示踪小鼠心梗模型，将不同导电特性补片移植覆盖于梗死区域，探究电学微环境对EPDCs分化命运的调控效应；采用心脏超声、Masson染色、活体血管标记等手段，评估心功能、心肌纤维化与功能性血管新生。

采用64通道阵列电极开展在体及Langendorff离体小鼠心脏电学标测，记录心外膜场电位、绘制传导热图，通过程序刺激检测有效不应期以评估心律失常风险，并设置利多卡因对照验证贴片的电桥接效应。

制备大鼠心肌切片，加载钙与膜电位荧光染料开展光学标测，记录激动时序、传导速度与钙恢复动力学。

分选EPDCs开展单细胞转录组测序，结合WB、RNA原位杂交、IPTG诱导TRPC3敲低与细胞内钙浓度检测等技术探究电信号诱导EPDCs内皮分化的分子机制。

研究结果

电传导依赖性的EpiCs激活

将EpiCs培养于导电率不同的补片上，发现在相同杨氏模量与表面形貌下，EpiCs增殖呈明显电导率依赖性。表现为10^-3 S/cm补片组EdU阳性率显著升高，表现出活跃的增殖表型。

图1. CPs的表征及其电导率变化对EpiCs增殖的影响

CemPs诱导EPDCs向内皮谱系分化

缺氧微环境下，CemPs组（电导率 10^-3 S/cm）CD31⁺与VE-钙粘蛋白⁺阳性细胞比例显著升高，FSP1⁺阳性细胞比例降低（图2B–C），提示CemPs重建的电信号可诱导EPDCs向内皮细胞分化。将EPDCs与缺氧损伤原代心肌细胞、HUVECs共培养发现：CemPs介导的电信号除诱导EPDCs内皮分化外，还可增强EPDCs旁分泌能力，进而改善缺氧原代心肌细胞状态、促进内皮细胞成管；共培养体系中原代心肌细胞Cx43表达上调、钙瞬变同步性提升。ELISA结果证实，CemPs介导的电学微环境可促进EPDCs大量分泌VEGFA与FGF2。上述结果表明，CemPs既可直接诱导EPDCs内皮分化，还能通过强化旁分泌作用促血管生成并挽救心肌细胞损伤。

图2. CemPs在体外促进EPDCs内皮细胞分化及旁分泌作用

CemPs改善成年动物梗死区电传导

采用成年大鼠左心室心肌切片与Langendorff 离体灌流心脏模型，液氮冷冻消融或LAD结扎构建心梗损伤，分别植入匹配心肌电导率导电补片 CemPs（10^-3S/cm）与不匹配对照组 CenPs（10^-5 S/cm）。光学标测与电标测结果显示，CemPs可桥接梗死区电传导，提升传导速度、缩短钙瞬变时程与激动起始时间；利多卡因干预实验证实其梗死区流向正常区域的电信号依靠与材料本身形成导电桥，而非残存心肌细胞兴奋性,波长 λ 检测提示CemPs可降低心律失常易感性。上述电生理结果证明，心外膜植入CemPs 能与宿主心肌实现电学整合、重建梗死区电传导；该电学界面可调控EPDCs 生物学行为，为体内机制研究提供实验依据。

图3. CemP介导的梗死区传导改善的电生理学验证

体内谱系追踪证实CemPs重建的电信号驱动WT1⁺EPDCs内皮分化

采用EPDCs谱系示踪小鼠开展体内实验，将导电补片直接贴附于心外膜。LAD结扎造模后分为单纯心梗、CenP对照、CemP干预组。体内电标测证实CemP可重建梗死区电连续性，维持稳定电学界面。术后第 7 天，CemP组梗死区 WT1⁺EPDCs显著活化增殖；第14天可见大量tdTomato⁺CD31⁺双阳性细胞，提示 EPDCs 向内皮分化，同时抑制其向成纤维细胞转化；术后28天心肌纤维化减轻。综上，匹配心肌电导率的CemPs可在体内重建梗死区电传导，调控 WT1⁺EPDCs的内皮分化命运，促进小鼠心梗后心脏修复。

图4. CemPs促进成年小鼠心肌梗死后EPDC内皮细胞分化

电信号驱动WT1⁺TRPC3⁺CD93⁺过渡态细胞向内皮谱系分化

联合谱系示踪与单细胞转录组解析CemPs调控WT1⁺EPDCs命运的机制。心梗后7–14天是EPDCs分化关键时间窗口，CemPs上调 EPDCs电压门控离子通道基因，促进EPDC向内皮谱系转化。体外仿生电刺激与内皮分化指数分析证实电学微环境直接介导EPDC向内皮转分化。亚群分析鉴定出WT1⁺TRPC3⁺CD93⁺过渡态细胞（TCs）；CemPs可诱导EPDCs产生大量该过渡态细胞并进一步分化为前内皮细胞，构建了完整内皮分化轨迹，提示TRPC3⁺CD93⁺过渡态细胞是电信号驱动 EPDCs 内皮分化的核心中间细胞亚群。

图5. CemPs对 WT1⁺ TRPC3⁺ CD93⁺ TCs的激活是 WT1⁺ EPDC内皮细胞分化的必要条件

TRPC3介导的 Ca²⁺信号调控TCs向内皮细胞分化

TRPC3在TCs中高表达且随分化逐渐下调，RNAscope证实TRPC3⁺TCs定位于CemPs组梗死区新生血管周围。CemPs组TCs细胞内钙信号显著增强，TRPC3敲低后CemPs组钙信号下降、内皮分化被阻断。体内TRPC3抑制剂Pyr3同样抑制CemPs驱动的内皮分化和血管新生，削弱心功能改善作用。

图6. TCs中的TRPC3–Ca²⁺信号传导介导了MI后 CemP驱动的WT1⁺EPDCs内皮分化

研究结论

与天然心肌电导率匹配的导电心脏贴片CemPs可重建心梗后梗死区电微环境，通过TRPC3-Ca²⁺信号轴诱导WT1⁺心外膜来源细胞经 WT1⁺TRPC3⁺CD93⁺过渡态细胞向内皮细胞分化；同时增强EPDCs 旁分泌促修复作用，促进梗死区功能性血管新生并改善心功能，为心肌梗死修复提供基于电学微环境调控的全新生物材料干预策略。

文章创新点

概念创新：电微环境可改变成年EPDCs细胞命运、解锁其内皮分化潜能，阐释领域长期存在的科学争议。成年EPDCs难以向内皮分化，根源在于梗死区缺少适配的电学重构微环境；

机制创新：鉴定心梗后一类全新成年内皮前体细胞来源，即 WT1⁺EPDCs衍生的 WT1⁺TRPC3⁺CD93⁺过渡态细胞（TCs）。明确 TRPC3-Ca²⁺信号轴是EPDCs感知电信号并决定内皮分化命运的核心调控轴；

转化提示：导电心脏贴片并非仅作为修复电传导的被动材料，电导率参数是调控细胞命运实现再生修复的核心要素，为心肌梗死在体生物材料再生治疗提供全新策略。

研究局限性

1. CemPs与原生心肌微观结构存在不匹配，难以将梗死区电传导完全恢复至生理水平，无法彻底消除心律失常发生风险；

2. 本研究动物模型选用雄性小鼠，尚未开展雌性动物验证。小鼠心外膜脂肪含量极低，而人类心外膜脂肪会对贴片贴附造成阻碍，临床转化需重点考量该差异；

3. 本研究仅对WT1⁺ EPDCs亚群开展谱系追踪，其他EPDCs亚群在电学微环境中的细胞命运与细胞互作尚不明确，有待借助多谱系示踪体系开展后续研究。