Cell迄今为止最逼真的人造心脏：自发地自我组装

奥地利科学院(Austrian Academy of Sciences)分子生物技术研究所(Institute of Molecular Biotechnology)的研究人员使用人类多能干细胞培育出芝麻大小的心脏类心脏，这种心脏类心脏可以自发地自组织成一个跳动的、类似心脏房的结构，不需要实验支架。研究人员称，这些心脏类器官代表了迄今为止最真实的心脏类器官。

　　

奥地利科学院(IMBA)分子生物技术研究所的研究人员利用人类多能干细胞培育出芝麻大小的类心脏器官，称为类心脏器官，它们可以自发地自组织成跳动的、类似心脏腔室的结构，不需要实验支架。科学家们表示，他们的技术已使他们能够创造出一些迄今为止最真实的心脏类器官。这可能会给心血管疾病和先天性心脏缺陷的研究带来革命性的变化。

在7天时间内发展出来的心脏样类器官。[视频由IMBA的Sasha Mendjan提供]

研究负责人Sasha Mendjan博士说:“我们希望人类的心脏模型能够更加自然地发展，从而能够预测疾病。心脏类器官是一个重要的里程碑。我们的指导原则是，要使体外组织完全具有生理性，它还需要经历器官发生。我们能够实现这一点，利用自组织的发展原则——这使它成为如此令人兴奋的发现……这样，公司将更开放地将更多药物引入临床试验，因为他们更确定试验的结果。”

Mendjan和团队在《Cell》杂志上发表了一篇题为Cardioids reveal self-organizing principles of human cardiogenesis的论文，报告了它们的发展。

心血管疾病是全球死亡的主要原因，每年造成约1800万人死亡。心脏缺陷也是儿童出生缺陷中最常见的类型。然而，人类心脏生理模型的缺乏是我们理解心脏疾病和畸形的再生治疗的潜在发展的主要瓶颈。

“人类心脏是第一个在发育过程中形成的功能性器官，但也是最难在体外建模的器官之一，”作者写道。此前，科学家们已经通过组织工程制造出了3D心脏类器官，这种方法通常需要组装细胞和支架，就像用砖块和砂浆建造房子一样。

研究人员继续说:“这些已经被证明非常有用，可以测量收缩力，执行复合筛选，以及建模结构肌肉和心律失常。然而，这种工程类器官对损害的生理反应不像人类心脏那样，因此往往不能作为良好的疾病模型。……这些现有的模型没有再现心脏特异性自组织，以获得体内样结构，如带有内心腔内膜的CM腔，因此作为人类心脏发生和心脏病的模型受到限制。”

Mendjan解释说:“组织工程在很多方面都很有用，比如，如果你想测量收缩。但在自然界中，器官不是这样形成的。在胚胎时期，器官通过一个叫做自组织的过程自发地发育。在发育过程中，细胞组成部分相互作用，随着器官结构的出现和生长而四处移动和改变形状。

“自组织是自然形成雪花晶体或鸟类群体行为的方式，”他继续说。“这对‘工程’来说是很难，似乎没有计划，但仍然有一些非常有序和有力的东西出现了。器官的自组织更有活力，而且有很多我们不了解的东西在发生。发育的这种‘隐藏的魔力’，我们还不知道的东西，是为什么目前的疾病没有被很好地模拟出来的原因。”

在过去的十年里，自组织的类器官领域给生物医学研究带来了革命性的变化。然而，心脏是最后一个缺少这种能够再现发育和损伤反应过程的生理模型的主要内部器官。“尽管几乎所有主要器官都有自组织类器官的报道，但目前还没有特定于心脏的自组织人类心脏类器官能够自动形成和变形为体内样结构。”

Mendjan和他的团队想通过在培养皿中实现自组织来模拟发展。在发育过程中，一个心腔从中胚层中产生。为了他们的工作，该团队必须在体内建立引导多能干细胞的中胚层信号条件。他们通过激活参与胚胎心脏发育的已知信号通路，诱导干细胞以特定的顺序进行自我组织。他们写道:“我们开发了一种分化方法，基于对关键心源性信号通路的时间控制——激活素、骨形态发生蛋白(BMP)、成纤维细胞生长因子(FGF)、维甲酸和WNT。”

自组织心脏类器官形成空腔[图片Sasha Mendjan, IMBA]

除了跳动的心肌层外，有功能的心脏还包含一层后来有助于心脏血管系统的内内皮层，以及一层指导心脏生长和再生的外心外膜层。心脏样线概括了这三层结构，形成了一个心腔状结构。

随着细胞分化，它们开始形成不同的层，类似于心脏壁的结构。发育一周后，类器官自组织成一个有封闭腔的3D结构，类似人类心脏的自发生长轨迹。此外，研究小组还发现心脏样的壁状组织有节奏地收缩，挤压腔内的液体。

呈波浪状收缩的心脏类器官[Sasha Mendjan, IMBA提供的视频]

Mendjan说:“令人惊讶的是，这导致了一个像心室一样的结构的自我组织。这是我们第一次在一个培养皿里观察到类似的东西。这是一个简单、健壮和可扩展的模型，不需要添加外源性细胞外基质，就像许多其他的类器官模型一样……这不是说我们正在使用不同于其他研究人员的东西，而是我们正在使用所有已知的信号。”

他指出，不是所有的途径都需要引导干细胞本身成为心脏细胞。“所以他们想，‘好吧，它们在体外没有必要。但事实证明，所有这些途径都是必要的。它们对细胞自我组织成器官非常重要。”

通过他们报道的研究，科学家确定了信号传导和转录因子是如何控制心腔形成的。例如，研究小组通过干扰与左心发育不良综合征相关的转录因子，能够对在心脏样线中观察到的显著腔体缺失进行显像。

研究人员还评估了冰冻损伤(一种模拟心肌梗死的技术)对心脏类的影响。他们用一根冷钢棒冷冻小心脏的一部分，从而杀死了该部位的许多细胞。细胞死亡通常是在诸如心脏病发作等损伤后观察到的。研究小组立即发现心脏成纤维细胞——一种负责伤口愈合的细胞——开始向损伤部位迁移，并产生修复损伤的蛋白质。该团队首次在培养皿中发现，这种损伤引发了类心脏细胞中细胞外基质蛋白的体内样积累，这是再生和纤维化心脏病的早期标志。

作者声称，“这里，我们建立了HPSC衍生的自组织“类心脏”，它在非心脏组织缺失的情况下再现了室状形态发生，并使用它们来研究人类心脏发生和心脏病的自组织机制。并为未来的转化研究奠定基础。”

Mendjan进一步指出，“心脏类手术在揭示人类先天性心脏缺陷方面具有不可思议的潜力。由于该系统是生理的和可扩展的，这为药物发现和再生医学开辟了巨大的可能性。”他的团队计划培育具有多个腔室的心脏类器官，这些腔室更接近真实人类心脏的组织结构。许多先天性心脏病发生在其他心室开始形成的时候，所以多腔模型将帮助医生更好地了解缺陷是如何在胎儿中发展的。

研究人员总结道:“总的来说，心脏类平台在探索自组织和先天性缺陷的基本机制，以及生成未来适合药物发现和再生医学的成熟和复杂的人类心脏模型方面具有广泛的潜力。”