心脏能够持续而有规律地跳动，依赖于右心房中的“天然起搏器”——窦房结。它像心脏的“总指挥”，在神经系统调节下持续发出电信号，并通过心脏传导系统这套“线路”，指挥心房和心室协调收缩、泵送血液。一旦这个“总指挥”失灵，心跳可能变慢、停顿，严重时会危及生命。
然而，研究人类这一“天然起搏器”并不容易。窦房结体积极小、位置隐蔽，人体样本很难获得，而小鼠等动物模型无法准确模拟人类心跳及神经对心律的调控。针对这一难题，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）曾安研究组与合作者利用人多能干细胞，在培养皿中构建了人源“生物起搏器”——窦房结类器官，并将其与心脏神经丛类器官连接，实现了神经对心跳的调控。相关成果于北京时间2026年5月15日在线发表于国际学术期刊《细胞-干细胞》（Cell Stem Cell）。
如何在实验室中打造接近真实的人类“生物起搏器”，一直是心脏起搏和传导研究中的重要挑战。研究团队通过模拟胚胎发育中的关键信号，并经过系统筛选，引导干细胞形成三维窦房结类器官，能够自主产生稳定心跳。当其与心房样类器官连接后，电信号可从窦房结一侧发出，传导至心房组织，成功模拟了体内“起搏—传导”过程。
借助这一类器官模型，研究人员进一步探索了心律失常的发生机制。他们在类器官中引入了与家族性窦房结功能障碍相关的突变，结果发现这些“起搏器”跳动明显变慢，成功重现了缓慢性心律失常的关键特征。重要的是，经过药物处理后，异常节律得到了改善，这表明该模型不仅能帮助理解心率相关疾病的发生机制，还可用于评估潜在治疗药物。
真实心脏中，窦房结并非独自工作，周围神经就像“调音师”，会根据身体状态调节心率。为模拟这一过程，团队构建了富含神经元的心脏神经丛类器官，并与窦房结类器官和心房类器官组装。
实验显示，神经纤维能够延伸进入窦房结类器官，调节其跳动频率，并将电信号传导至下游心房组织。结合人胚胎窦房结的空间图谱和体外干预实验，研究发现，人类特异的神经通路不仅调控心率，还促进起搏系统成熟：神经元分泌的PSAP仿佛一把“钥匙”，作用于起搏细胞表面的GPR37，推动起搏细胞向成熟状态发展。
“研究在体外重建了人类心脏天然起搏系统及其神经调控过程，为心律失常研究、药物筛选和未来生物起搏器开发提供了重要工具。”曾安表示。
值得一提的是，去年底，曾安研究员与合作者发现了一群控制心脏再生的特殊细胞——Clu⁺心肌细胞。基于此，团队构建出工程化CLU心脏类器官，帮助成年小鼠心梗模型恢复心功能，为心脏再生治疗打开了新大门。
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