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人胚胎干细胞具有多能性，理论上能够分化为机体各种类型的细胞，在重大疾病的移植治疗中具有巨大的应用前景。心脏疾病，尤其是获得性心脏病已经成为影响人类健康的重要杀手。临床上利用干细胞来源的心肌细胞移植治疗心肌梗塞，需要解决以下四个问题:心肌分化效率、单一的心肌细胞亚型、安全且无动物源污染、成熟可用于移植。为了获得单一的、安全的心室肌细胞，本论文发现了心肌前体细胞定向分化为心室肌细胞的调控信号通路，并采用无动物源、成分确定的分化体系，利用小分子化合物诱导方法定向、高效获得心室肌细胞。 本文发现BMP信号通路(BMP4)可以促进心室肌特异基因IRX4的表达，并抑制心房肌特异基因NR2F2的表达，并且BMP信号作用的最佳时间是分化程序的“D5-D8”。BMP信号通路的抑制剂Noggin和Dorsomorphin可以阻断BMP信号的上述作用，从而降低IRX4的表达，提高NR2F2的表达水平。在BMP家族蛋白中，本论文发现仅BMP4和BMP2具有明显的促进心室肌特异基因IRX4表达的作用。FACS检测心室肌特异轻链蛋白MLC-2v和心肌肌钙蛋白CTNT比例，发现BMP4处理组的心室肌细胞比例高达82.23％，而RA处理组仅为14.07％。免疫荧光染色和Western Blotting同样证明，相对于RA处理组，BMP4处理组细胞晚期心室肌特异MLC-2v表现高表达比例和高表达水平。此外，BMP4诱导的心肌细胞表达有CTNT、α-Actinin、MLC-2a、MLC-2Vv和MHC等结构蛋白。通过电生理和钙活动检测，BMP4处理组中具有正常动作电位和钙火花的心室肌细胞比例高达83％，而RA处理组仅为10～20％。上述结果表明，BMP4可以促进人胚胎干细胞(hESCs)分化为具有正常结构蛋白表达和电生理功能的心室肌样细胞。通过进一步研究，本论文发现BMP4是通过Smad信号通路(Smad1/5/8)调控心肌前体细胞的特化过程，而不是通过Non-Smad信号通路（例如ERK，JNK和p38MAPK信号通路等），ERK、JNK和p38 MAPK等信号通路的抑制剂均不能有效降低处理组细胞的心室肌特异基因IRX4的表达水平。在此基础上，本论文利用小分子化合物(CHIR99021、IWR-1)和成分确定、无动物源的心肌分化培养基系统(RPMI1640+S12)，利用BMP4诱导可得到高达92.86％的心室肌样细胞，并且具有功能性的钾、钙、钠等离子通道。此外，本论文还利用RA和BMP信号处理组细胞初步研究其下游可能调控心脏发育的相关细胞因子和转录因子的表达模式，以及对第一心区和第二心区早期重要调控基因表达的影响，为后续研究提供一定参考信息。 综上所述，本论文发现BMP信号通路(BMP4)可通过Smad信号通路调控心肌前体细胞特化为表达正常结构蛋白和功能性的心室肌样细胞，并利用成分确定的分化系统获得了安全、无动物源的高比例人胚胎干细胞源的心室肌细胞。