蛋白激酶A活性在自发跳动的人源多能干细胞衍生心脏类器官中的时空分析

心脏组织是研究心脏功能和疾病的重要模型，特别是研究心律失常如何源于细胞间电信号传导紊乱。人诱导多能干细胞(hiPSC)衍生的心脏类器官作为人源心脏组织模型具有明显优势，可用于研究电活动起始和传播机制。全身神经内脏轴通过交感和副交感神经通路调控心率，其中β-肾上腺素能受体激活导致腺苷酸环化酶(AC)激活，进而催化ATP转化为cAMP，最终激活蛋白激酶A(PKA)并增加心肌细胞活性。相反，毒蕈碱受体激活则抑制AC和PKA活性。在心肌细胞中，PKA通过磷酸化多种关键蛋白质来调节心率，这些蛋白包括位于细胞膜(如奇异电流通道和L型钙通道)或肌浆网膜上的离子通道(如ryanodine受体)、肌浆网蛋白(如phospholamban)、肌节蛋白(如troponin和肌球蛋白结合蛋白C)以及转录因子(如cAMP反应元件结合蛋白CREB)。PKA活性已在单个心房、心室和窦房结细胞中被记录，但其在心脏类器官或心脏组织中的时空活性尚未被报道。

2025年2月12日，发表在Iscience上题为Spatiotemporal profiling of protein kinase A activity in spontaneously beating hiPSC-derived cardiac organoids的研究旨在测量心脏类器官中的PKA活性，并研究其在基础条件下以及对β-肾上腺素能和胆碱能刺激响应中的时空特性。研究假设PKA活性受交感和副交感神经刺激影响并呈现空间分布，且心脏类器官对提高或降低PKA活性的药物的反应会引起空间异质性。

图示描述

1，实验方法概述。图1展示了研究的整体实验流程，包括hiPSCs分化为心肌细胞(CMs)并形成心脏类器官的过程，以及用于测量PKA活性的荧光共振能量转移(FRET)探针的示意图。图中还展示了心脏类器官的形成过程和实验中使用的药物(forskolin、H-89、isoproterenol和carbachol)的作用机制。

2，药物对PKA活性的影响。图2展示了心脏类器官在不同浓度forskolin和H-89处理下的YFP/CFP荧光信号热图，表明PKA活性随药物浓度变化而变化。图2C和2F显示，forskolin显著增加了PKA活性(最大增加52.4%)，而H-89则降低了PKA活性(最大降低10.8%)。

3，交感神经和副交感神经刺激的影响。图3展示了心脏类器官在不同浓度isoproterenol(交感神经刺激)和carbachol(副交感神经刺激)处理下的YFP/CFP荧光信号热图。图3C和3F显示，isoproterenol显著增加了PKA活性(最大增加35.7%)，而carbachol则降低了PKA活性(最大降低6.4%)。

4，剂量-反应关系。图4展示了基于Hill方程的回归分析结果，表明PKA活性对forskolin、H-89、isoproterenol和carbachol的剂量反应关系良好，回归系数(R²)较高，说明药物浓度与PKA活性之间存在显著的非线性关系。

5，PKA活性的空间异质性。图5展示了心脏类器官在不同药物处理下的局部YFP/CFP信号变化，表明PKA活性在类器官内的空间分布具有异质性。图5E-H进一步分析了不同药物处理下响应区域的数量和变异系数，发现激活PKA的药物(forskolin和isoproterenol)引起的PKA活性空间异质性高于抑制PKA的药物(H-89和carbachol)。

全文总结

本研究测量了心脏类器官中的PKA活性，并通过二维时空动态分析揭示其复杂性。结果显示，心脏类器官对AC-cAMP/PKA级联的调节物质表现出稳健且空间异质的PKA活性反应，激活剂(如forskolin和isoproterenol)诱导的空间异质性显著高于抑制剂(如H-89和carbachol)。这表明PKA活性对激活水平的依赖性，并暗示其在心脏电活动调节中的重要作用。这些发现为理解心脏类器官的复杂调节机制提供了新见解，为心血管研究和药物开发奠定了基础。