心脏跳动的奥秘，源自右心房内一个微小却至关重要的结构——窦房结。这个被称为心脏“天然节拍器”的组织，在神经系统的精密调控下，持续发出电脉冲，指挥心房与心室有序收缩，维持着生命的律动。然而，当窦房结功能异常时，心跳可能变缓甚至停止，严重威胁生命安全。由于人类窦房结体积微小、位置隐蔽，直接获取人体样本极为困难；而传统动物模型又难以精准模拟人类心跳特征及神经调控机制。因此，如何在实验室中构建接近真实的人类“生物起搏器”，成为心脏研究领域长期未解的难题。
中国科学院分子细胞科学卓越创新中心的研究团队近日宣布，他们利用人多能干细胞，在培养皿中成功培育出具有三维结构的窦房结类器官，并首次实现了神经对心跳的体外调控。这一突破性成果发表于国际权威期刊《细胞-干细胞》。研究团队通过模拟胚胎发育关键信号通路，系统筛选后引导干细胞分化，最终构建出包含三种与人体窦房结起搏细胞高度对应的细胞亚型的类器官。该结构不仅能自主产生稳定、节律性的跳动，还能与心房样类器官连接，完整模拟心脏从“起搏”到“传导”的生理过程。转录组分析显示，其基因表达特征与人类胚胎期窦房结细胞高度一致，且能对多种心率调节药物产生响应。
为验证该模型的疾病研究价值，团队引入与家族性缓慢性心律失常相关的基因突变（KCNJ3 c.247A>C）。结果显示，突变后的类器官跳动频率显著下降，成功复现了人类窦房结功能障碍的核心特征。更关键的是，实验发现钾通道选择性阻断剂Tertiapin-Q可有效改善异常节律。这一发现表明，该人源化模型不仅可用于解析遗传性心律失常的发病机制，还可作为新型药物筛选平台，为临床治疗提供重要依据。
在真实人体中，窦房结并非独立工作。心脏自主神经系统通过迷走神经和交感神经，根据运动、休息或情绪状态实时调节心率。其中，迷走神经的副交感成分主要负责降低心率。为还原这一复杂调控过程，研究团队进一步构建了富含副交感神经元的心脏神经丛类器官，并将其与窦房结类器官连接。实验观察到，神经纤维主动向窦房结延伸并形成功能连接，成功降低了其自主跳动频率。随后，团队将心房样类器官纳入体系，构建出“神经—窦房结—心房”三类器官组装体。结果显示，神经调控信号不仅作用于起搏器，还能传递至下游心房组织，导致心房节律协同减慢，首次在体外完整模拟了神经系统对心脏起搏系统的精细调控。
该研究在体外重建了人类心脏天然起搏系统的核心功能及神经调控网络，为心律失常研究、药物开发及未来生物起搏器的临床应用提供了全新的人源化实验平台。这一成果标志着科学家在理解心脏节律调控机制方面取得了关键进展，为相关疾病的治疗开辟了新路径。
