Cell重磅!科学家开发出全球首个自组装人类心脏类器官。

2021
05/24

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生物谷
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科学家们成功地利用人类多能干细胞培育出了芝麻大小的心脏模型,成为心脏型类器官(cardioids)。


能够形成组织样结构的器官,改变我们模拟人类发育和疾病发生的能力,除了人类心脏的案例外,谱系特异性的自组装类器官在所有主要的器官中已经被报道。

日前,一篇刊登在国际杂志Cell上题为“Cardioids reveal self-organizing principles of human cardiogenesis”的研究报告中,来自维也纳生物中心等机构的科学家们成功地利用人类多能干细胞培育出了芝麻大小的心脏模型,成为心脏型类器官(cardioids),其能自发地自组装并形成一个空腔,而并不需要实验支架;这一研究进展就有望帮助科学家创建一些迄今为止最逼真的心脏器官。


此前,研究人员通过组织工程技术来建立3D心脏类器官,这一方法通常会涉及组装细胞和支架,就好像利用砖头和砂浆来建造房屋一样,但这些工程化的类器官并不具有与人类心脏相同的应对损伤的生理学反应,因此往往不能作为良好的疾病模型。

研究者Mendjan说道,组织工程技术对于很多事情都非常有用,比如,如果你想对收缩性进行测量等,但在自然界中,器官并不是这样建立的。在胚胎中,器官会通过一种称之为自组装的方式来自发进展,而且在发育过程中,细胞的基本构件会相互作用,随着器官结构的出现和生长,其会四处移动并改变形状。

自组装是自然界如何形成雪花晶体或鸟类的群体性行为的方式,这是很难进行设计的,因为其发生似乎并没有什么计划,但仍然有一些非常强大且有序的东西会出现。器官的自组装要动态得多,有很多事情科学家们并不了解。

这项研究中,研究者Mendjan及其团队就想通过研究在培养皿中通过自我组装来模拟器官的发育过程。他们通过激活参与胚胎心脏发育的所有六种已知的信号通路,以一种特定的顺序来诱导干细胞进行自组装,随着细胞的分化,这些干细胞就开始形成独立的层状结构,这类似于心脏壁的结构发育一周后,就会自组装形成拥有封闭空腔的3D结构,这是一种类似于人类心脏的自我生长轨迹。

此外,研究者还发现,心脏类器官壁样组织能够有节律地收缩,将液体挤压到空腔内部中去。研究者Mendjan说道,或许并不是我们使用的东西与其它研究人员不同,而是我们只使用了所有已知的信号;他还补充道,并非所有通路都需要引导干细胞成为心脏细胞,因此它们或许在体外并非必需的,但事实证明,所有这些途径都是必要的,其使细胞自组装成为一个器官非常重要。

体外心腔样结构的形成过程。
图片来源:Pablo Hofbauer,et al. Cell (2021) doi:10.1016/j.cell.2021.04.034

此外,研究人员还分析了心脏类器官如何对组织损伤产生反应,他们利用一根冷钢杆(cold steel rod)冻结了迷你心脏的一部分并杀死了该部分的许多细胞,细胞的死亡通常是在受伤后被观察到,比如心脏病发作等。随后研究人员观察心脏成纤维细胞(负责伤口愈合的一类细胞)会开始向损伤位点迁移并产生特殊蛋白来修复损伤。

本文中,研究人员提出的人类心脏模型能够更加自然地发展,因此就能够帮助预测疾病的进展。这样一类很多公司都更愿意将更多的药物引入到临床试验中;目前研究人员计划培育出具有多个腔室的心脏类器官,就像是在真正的心脏中观察到的那样,许多先天性心脏病的发生就是在其他腔室开始形成时发生的。因此多个腔室模型或许还能帮助临床医生更好地理解胎儿心脏缺陷发生的分子机制。

综上,人类心脏类器官模型或能作为一种强大的平台来解析心脏自组装以及先天性心脏缺陷发生的分子机制,或为未来实现临床转化奠定一定的基础并提供新的思路。

原始出处:
Pablo Hofbauer,Stefan M. Jahnel,Nora Papai,et al. Cardioids reveal self-organizing principles of human cardiogenesis, Cell (2021) doi:10.1016/j.cell.2021.04.034

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关键词:
心脏类,科学家,干细胞,器官,模型,结构,疾病,腔室

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