首颗实验中培育的人类心脏类器官:能跳动 已存活3个月

这个人类的“迷你心脏”比芝麻籽还小,却能以规律的节奏跳动。这是第一个在实验室里被创造出来的带有明显跳动的心室的心脏。这种微型器官或类器官,能模仿25天大的人类胚胎的心脏工作,有助于解开许多谜团,包括为什么婴儿心脏病发作后其心脏不会留下疤痕。

以上进展来自当地时间5月20日国际权威学术期刊《细胞》(Cell)。奥地利科学院分子生物技术研究所的干细胞生物学家Sasha
Mendjan是该论文的主要作者。

为了创造出能像胚胎中细胞一样自组织的类心脏器官,这项新研究的作者们对具有分化成任何组织能力的人类多能干细胞进行了编程,使其分化成各种类型的心脏细胞。他们的目标是创造出存在于心腔壁的三层组织层,这是心脏最早发育的部分之一。

Mendjan团队以特定的顺序激活所有参与胚胎心脏发育的6个已知信号通路,诱导干细胞自我组织。随着细胞分化,它们开始形成不同的层——类似心脏壁的结构。

发育1周后,类器官在结构上相当于25天胚胎的心脏。在这个阶段,心脏只有一个心室,这将成为成熟心脏的左心室。类器官直径约为2毫米,包括这一发育阶段常见的主要细胞类型:心肌细胞、上皮细胞、成纤维细胞和心外膜。它们也有一个清晰的心室,每分钟跳动60到100次,这与相同年龄的胚胎心脏的速率相同

“这并不是说我们在使用与其他研究人员不同的东西,而是我们在使用所有已知的信号。”Mendjan补充说。一直以来,研究人员认为并非需要所有途径来直接引导干细胞成为心脏细胞,“所以他们想,‘好吧,它们在体外没有必要。’但事实证明,所有途径都是必要的。它们对细胞自我组织成器官非常重要。”

该团队还测试了心脏类器官对组织损伤的反应。他们用一根冷钢棒冷冻部分心脏,并杀死该部位的许多细胞。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。

实际上,虽然人类从十多年前就能在培养皿中培育像大脑、内脏和肝脏这样的“微型器官”,但类心脏器官却一直是很大的挑战。

此前,科学家们已经制造出了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。但是,这些类器官不能像人类心脏那样对损害做出响应,因此往往不能作为良好的疾病模型。

“组织工程学在很多方面都非常有用,比如测量心脏收缩。”Mendjan说。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。在该过程中,细胞模块能相互作用,并随着器官结构的出现和生长四处移动和改变形状。

“自组织是自然界形成雪花晶体或鸟类群体行为的方式。这很难设计,因为似乎没有计划,但仍有一些非常有序和稳健的东西出现了。”他说,“器官的自组织更有活力,很多事情我们不了解。我们认为这种‘隐藏的魔法’式发展,是目前疾病没有被很好地建模的原因。”

对于此次创造出的迄今为止最真实的心脏类器官,Mendjan
表示,当其第一次看到它的时候,很惊讶这些心室可以自行形成。相比其他类器官,心脏类器官的成败显而易见,它会跳动。迄今为止,这颗“迷你心脏”已经在实验室中存活了3个多月,它将帮助科学家们了解心脏发育的前所未有的细节。

Mendjan说,它们还可能揭示心脏问题的起源,比如婴儿的先天性心脏缺陷和心脏病发作后的心脏细胞死亡。他引用诺贝尔物理学家理查德·费曼(Richard
Feynman)的话说:你不能完全理解某些东西,除非你能重新创造它。

《科学》杂志引述雪城大学(Syracuse
University)研究者称,这是一项伟大的研究。这项实验对于理解先天性心脏缺陷和人类心脏形成非常重要,此前这些工作都依赖于动物模型。

不过,对于培养一个更成熟的心脏器官——拥有所有的腔室和结构,这是该领域未来课题。不过在十年内可能很难看到,这还有很长的路要走。

Mendjan团队也计划培育具有多个腔室的心脏类器官,就像真正的人类心脏那样。许多先天性心脏病发生在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。

天钧丨今日时事新闻–首颗实验中培育的人类心脏类器官:能跳动 已存活3个月