在生理条件下，心脏传导系统(CCS)自发地周期性地向心房和心室发送电脉冲，触发心脏产生有规律的收缩活动。CCS的电脉冲来自SAN中称为PCs的实质细胞。心肌缺血、心肌炎、心肌病、高血压、心力衰竭、基因突变、心脏变性等多种因素可引起心脏PCs相关疾病，表现为慢速心律失常、快速心律失常、心源性晕厥、心源性休克甚至心源性猝死。目前，严重心脏PCs相关疾病的治疗主要依靠植入式电子心脏起搏器(ECP)，但ECP并不能纠正心脏PCs本身的缺陷。此外，尽管自20世纪50年代首次引入临床实践以来已经取得了很大的进展，但不可避免的是，与ECP相关的并发症仍然不罕见，如气胸、心脏穿孔和感染。目前，心脏血压可以通过基于基因、基于细胞、混合基因细胞和基于细胞重编程的方法来实现。心脏血压是近年来心脏起搏研究的热点和焦点。
然而，心脏BP技术的发展受到许多因素的限制，其中最核心的是高质量心脏PC的可用性。SAN中的心脏PC数量非常少，人类SAN中只有大约10,000台。鉴于此，干细胞分化和体细胞重编程是获得心脏PC的两种可选方法，尽管这两种方法都会产生异质细胞群。为了从其他细胞类型中纯化心脏PC，需要针对特定PC标记物的抗体或指示特定PC基因表达的荧光报告细胞系。通过在胚胎发育过程中的谱系追踪，一系列基因已被证实在形成SAN中具有相对特异性的瞬时或组成性表达。在这些心脏PC特异性表达基因中，SHOX2和HCN4引起了注意。SHOX2在SAN开发和功能中起着关键作用。在机制上，SHOX2通过抑制Nkx2-5的表达，同时激活Hcn4、Isl1和Tbx3的表达来阻止工作心肌的形成。同时，HCN4是一个被广泛接受的PC标记物，它负责产生滑稽电流(If)，这是心脏PC自动电活动的主要驱动力。
构建Shox2:EGFP；Hcn4:mCherry mESC报告细胞系与心肌PCs分化（图源自Signal Transduction and Targeted Therapy ）
无论是来自早期胚胎外胚层(胚胎干细胞，ESCs)还是来自体细胞(诱导多能干细胞，iPSCs)的PSCs，都可以通过体外分化为心脏BP提供细胞来源。心肌PCs和工作心肌细胞均来源于PSCs。尽管在心脏PCs分化方面取得了一系列关键进展，但就产生的细胞质量而言，心脏PCs的产生不如工作心肌细胞复杂。胚泡内的外胚层是机体的奠基者，产生三种胚层和生殖细胞。与此同时，naïve ESCs已经从胚泡(胚胎期3.5-4.5,E3.5-E4.5)的外胚层中获得，而被称为外胚层干细胞(EpiSCs)的引物PSCs可以从胚胎着床后的外胚层(E5.5-E6.5)中获得。与naïve ESCs不同，EpiSCs表现出有限的多能性和更多的异质分化潜力。据报道，在体外，直接从naïve ESCs分化的效率并没有预期的那么高。因此，假设在naïve和诱导多能状态之间存在中间阶段，当naïve外胚层处于多能状态时，它会经历一个获得充分分化潜能的获能阶段，这一点已经被体内分析和体外从E5.5-E6.0植入后的外胚层获得形成性干细胞(FSCs)的实验证实。除了产生原始生殖细胞(PGCs)的潜力外，FSCs还可以以更高的效率分化为代表三种生殖层的细胞类型。
研究通过应用PCs特异性标记并模拟PCs的发育途径，开发了一种从PSCs生成心脏PCs的综合策略。构建Shox2: EGFP；Hcn4:mCherry mESC报告细胞系，追踪心脏PCs的体外分化。通过遵循naïve到形成性转变和操纵心脏PCs发育过程中的信号通路，研究建立了一种简单高效的心脏PCs分化方法，产生超过20%的SHOX2+；HCN4+心脏PCs。体内和体外鉴定均显示PSCs衍生的心脏PCs与真正的PCs具有相似性。通过scRNA-seq，研究绘制了从naïve ESCs到心脏PCs的分化轨迹，并验证了RA的靶点Zfp503是调节心脏PCs分化的关键因子。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41392-024-01942-w
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