首顆實驗中培育出的人類心臟類器官:能跳動 已存活3個月

        來源:互聯網 2021-05-24 15:11中投網 A-A+

          這個人類的“迷你心臟”比芝麻籽還小,卻能以規律的節奏跳動。這是第一個在實驗室里被創造出來的帶有明顯跳動的心室的心臟。這種微型器官或類器官,能模仿25天大的人類胚胎的心臟工作,有助于解開許多謎團,包括為什么嬰兒心臟病發作后其心臟不會留下疤痕。

          以上進展來自當地時間5月20日國際權威學術期刊《細胞》(Cell)。奧地利科學院分子生物技術研究所的干細胞生物學家SashaMendjan是該論文的主要作者。

          為了創造出能像胚胎中細胞一樣自組織的類心臟器官,這項新研究的作者們對具有分化成任何組織能力的人類多能干細胞進行了編程,使其分化成各種類型的心臟細胞。他們的目標是創造出存在于心腔壁的三層組織層,這是心臟最早發育的部分之一。

          Mendjan團隊以特定的順序激活所有參與胚胎心臟發育的6個已知信號通路,誘導干細胞自我組織。隨著細胞分化,它們開始形成不同的層——類似心臟壁的結構。

          發育1周后,類器官在結構上相當于25天胚胎的心臟。在這個階段,心臟只有一個心室,這將成為成熟心臟的左心室。類器官直徑約為2毫米,包括這一發育階段常見的主要細胞類型:心肌細胞、上皮細胞、成纖維細胞和心外膜。它們也有一個清晰的心室,每分鐘跳動60到100次,這與相同年齡的胚胎心臟的速率相同

          “這并不是說我們在使用與其他研究人員不同的東西,而是我們在使用所有已知的信號。”Mendjan補充說。一直以來,研究人員認為并非需要所有途徑來直接引導干細胞成為心臟細胞,“所以他們想,‘好吧,它們在體外沒有必要。’但事實證明,所有途徑都是必要的。它們對細胞自我組織成器官非常重要。”

          該團隊還測試了心臟類器官對組織損傷的反應。他們用一根冷鋼棒冷凍部分心臟,并殺死該部位的許多細胞。細胞死亡通常是在諸如心臟病發作等損傷后觀察到的。研究小組立即發現,心臟成纖維細胞(一種負責傷口愈合的細胞)開始向損傷部位遷移,并產生修復損傷的蛋白質。

          實際上,雖然人類從十多年前就能在培養皿中培育像大腦、內臟和肝臟這樣的“微型器官”,但類心臟器官卻一直是很大的挑戰。

          此前,科學家們已經制造出了3D心臟類器官,這種方法通常需要組裝細胞和支架,就像用磚塊和砂漿建造房子一樣。但是,這些類器官不能像人類心臟那樣對損害做出響應,因此往往不能作為良好的疾病模型。

          “組織工程學在很多方面都非常有用,比如測量心臟收縮。”Mendjan說。但在自然界中,器官不是這樣形成的。在胚胎時期,器官通過一個叫做自組織的過程自發地發育。在該過程中,細胞模塊能相互作用,并隨著器官結構的出現和生長四處移動和改變形狀。

          “自組織是自然界形成雪花晶體或鳥類群體行為的方式。這很難設計,因為似乎沒有計劃,但仍有一些非常有序和穩健的東西出現了。”他說,“器官的自組織更有活力,很多事情我們不了解。我們認為這種‘隱藏的魔法’式發展,是目前疾病沒有被很好地建模的原因。”

          對于此次創造出的迄今為止最真實的心臟類器官,Mendjan表示,當其第一次看到它的時候,很驚訝這些心室可以自行形成。相比其他類器官,心臟類器官的成敗顯而易見,它會跳動。迄今為止,這顆“迷你心臟”已經在實驗室中存活了3個多月,它將幫助科學家們了解心臟發育的前所未有的細節。

          Mendjan說,它們還可能揭示心臟問題的起源,比如嬰兒的先天性心臟缺陷和心臟病發作后的心臟細胞死亡。他引用諾貝爾物理學家理查德·費曼(RichardFeynman)的話說:你不能完全理解某些東西,除非你能重新創造它。

          《科學》雜志引述雪城大學(SyracuseUniversity)研究者稱,這是一項偉大的研究。這項實驗對于理解先天性心臟缺陷和人類心臟形成非常重要,此前這些工作都依賴于動物模型。

          不過,對于培養一個更成熟的心臟器官——擁有所有的腔室和結構,這是該領域未來課題。不過在十年內可能很難看到,這還有很長的路要走。

          Mendjan團隊也計劃培育具有多個腔室的心臟類器官,就像真正的人類心臟那樣。許多先天性心臟病發生在心室開始形成的時候,所以多腔模型將幫助醫生更好地了解缺陷是如何在胎兒中發展的。

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