人源工程化心脏组织构建脂毒性糖尿病心肌病模型：揭示恩格列净的早期干预获益

糖尿病已成为全球重大健康挑战，中国成人患病率约11.2%，心血管疾病是2型糖尿病患者的主要致死原因，其中糖尿病心肌病（DbCM）最为常见。DbCM定义近年修订后更侧重糖尿病相关的心肌功能障碍，其发病机制涉及高血糖、胰岛素抵抗等多种相互交织的全身因素，且早期舒张功能障碍症状隐匿，确诊时干预难度大、预后差，亟需能模拟疾病早晚期变化的动态研究模型。

现有实验模型存在明显局限：动物模型受物种特异性和长周期限制，原代人心肌细胞样本稀缺且难培养，人诱导多能干细胞衍生心肌细胞存在不成熟性，即使3D培养系统也难以全面复现糖尿病心脏的收缩和电生理动态变化。同时，SGLT2抑制剂（如恩格列净）虽被证实可改善心衰预后，但其是否直接作用于心脏、保护机制如何仍存争议，且在eligible患者中应用不足，需更贴合临床的研究体系澄清争议、完善理论基础。

基于此，湖北大学张冬卉教授课题组在 Advanced Science杂志发表题为“A Human Engineered Heart Tissue‐Derived Lipotoxic Diabetic Cardiomyopathy Model Revealed Early Benefits of Empagliflozin”的研究论文。

本研究构建了基于人多能干细胞衍生心肌细胞和工程化心脏组织（hEHT）的糖尿病心肌病（DbCM）体外功能评估系统，聚焦棕榈酸（PA）的致病作用；通过整合收缩功能、组织结构、电生理学及RNA测序分析，阐明DbCM从早期舒张功能障碍进展至收缩和舒张功能障碍的潜在生物学过程；在iPSC-CMs和 hEHTs模型中探究一线降糖药恩格列净的治疗潜力，明确其心脏保护作用及相关机制；最后在高脂饮食联合链脲佐菌素诱导的2型糖尿病小鼠模型中，验证了体外实验的核心发现。

本研究证实，棕榈酸是糖尿病相关心脏损伤的关键致病因子，短期可诱发心肌舒张功能异常，长期则导致收缩功能障碍及线粒体损伤、凋亡等病理改变。恩格列净能通过抑制内质网应激、线粒体损伤和细胞凋亡，有效改善棕榈酸诱导的心肌功能障碍及电传导异常，该保护效果在2型糖尿病小鼠模型中得到验证。这为恩格列净用于治疗糖尿病或脂毒性心肌病提供了充分的体内外证据，也为相关疾病的机制研究和靶向药物开发提供了重要支撑。

1. 棕榈酸作为糖尿病相关心脏损伤代表性致病因子的鉴定

为明确糖尿病多种危险因素对心肌细胞的影响。通过对诱导多能干细胞来源的心肌细胞进行实验，发现棕榈酸（PA）的损伤作用最为显著，可协同不同浓度葡萄糖降低心肌细胞活力，诱导心肌损伤标志物释放，且会导致心肌收缩和舒张功能受损，还会引发线粒体和内质网形态异常，最终证实PA是损害心肌细胞功能与活力的关键致病因子。

图1 棕榈酸是诱导人诱导多能干细胞衍生心肌细胞（iPSC-CMs）损伤的关键糖尿病致病因子

2. 棕榈酸短期诱导hEHTs舒张功能障碍

为构建模拟糖尿病心肌病早期特征的体外模型，本小节利用hEHT开展研究。短期（24小时）PA暴露后，hEHTs未出现明显收缩功能异常，但出现舒张功能障碍相关表现，如异常双峰收缩增加，同时伴随电传导功能下降及线粒体形态改变等亚细胞结构变化，为研究糖尿病心肌病早期舒张功能障碍提供了合适的体外模型。

图2 棕榈酸（PA）短期诱导人工程化心脏组织（hEHT）早期糖尿病心肌病损伤模型

3. 棕榈酸长期刺激使hEHTs重现糖尿病心肌病收缩功能障碍特征

针对糖尿病心脏晚期严重功能异常，本研究探究了长期（72小时）PA暴露对hEHT的影响。结果显示，hEHTs的收缩和舒张功能均显著受损，心肌硬度增加，同时出现成纤维细胞增多、肌节紊乱、线粒体数量减少等结构损伤，电传导功能也明显异常，成功在体外模型中重现了糖尿病心肌病的晚期功能与结构特征。

图3 PA诱导hEHT晚期糖尿病心肌病损伤模型

4. 棕榈酸短期和长期暴露对hEHTs中糖尿病心肌病相关基因表达的差异性调控

为揭示PA损伤的分子机制，本小节通过RNA测序分析了不同暴露时间下hEHTs的基因表达变化。短期PA暴露主要影响代谢相关通路及心肌收缩通路，长期暴露则显著激活凋亡和内质网应激相关通路，抑制心肌功能相关基因表达，表明PA诱导的损伤在分子层面具有时间依赖性差异，且该模型在分子水平与糖尿病心肌病高度契合。

图4 PA诱导hEHT模型中与糖尿病心肌病（DbCM）相关的信号通路z

5. 恩格列净改善棕榈酸诱导的诱导多能干细胞来源心肌细胞和hEHT舒张功能障碍

本研究聚焦一线降糖药恩格列净（EMPA）的心脏保护作用。实验发现，高浓度EMPA可提高PA损伤后的心肌细胞活力，修复钙处理功能，显著改善hEHT的早期舒张功能障碍及电传导异常。其保护机制主要与抑制凋亡、减轻内质网应激和线粒体损伤相关，且推测SGLT1等可能是其潜在作用靶点。

图5 恩格列净（EMPA）对PA诱导的iPSC-CMs和hEHT 损伤的保护作用

图6 恩格列净（EMPA）通过抑制线粒体功能障碍、凋亡和内质网应激，保护hEHT和iPSC来源的心肌细胞免受棕榈酸诱导的损伤

6. 恩格列净保护小鼠免受高脂饮食+链脲佐菌素诱导的功能损伤和电偶联异常

为验证EMPA的体内保护效果，本研究在高脂饮食联合链脲佐菌素诱导的2型糖尿病小鼠模型中开展实验。结果显示，EMPA治疗可显著改善小鼠心脏的收缩和舒张功能，修复心室电传导紊乱，减轻心肌线粒体损伤和脂滴积累，同时降低血清中心肌损伤标志物水平，抑制心肌细胞凋亡，在体内证实了EMPA对糖尿病相关心脏损伤的保护作用。

图7 恩格列净（EMPA）对2型糖尿病（T2DM）小鼠心脏损伤的保护作用