首次用干细胞制备人类心脏早期发育模型

近期，加州大学伯克利分校的研究人员，与Gladstone研究所的科学家合作，开发出一种模板，利用干细胞制备跳动的心脏组织，从而创建了一种系统，可以作为早期心脏发育模型，以及让怀孕更安全的一种药物筛选工具。

相关研究结果发表在七月十四日的《Nature Communications》杂志。在这项研究中，研究人员利用生物化学和生物物理线索，促提示干细胞分化和自组织成微米级的心脏组织，包括微室。

本文共同通讯作者、Gladstone 心血管病研究所高级研究员、加州大学圣地亚哥分校医学遗传学、细胞和分子药理学教授Kevin Healy说：“我们相信，这是阐明‘在体外培育人类心室的过程’的第一个例子。这项技术可以帮助我们快速筛选出可导致心脏出生缺陷的药物，并告诉我们‘在怀孕期间哪些药物是危险’。”

筛选药物毒性

为了测试该系统作为药物筛选工具的潜力，研究人员将分化细胞暴露于萨利多胺――一种药物，已知可导致严重的出生缺陷。他们发现，在正常的治疗剂量上，这种药物可导致微室发育异常，包括尺寸减少、肌肉收缩问题和心率降低（与没有暴露于萨利多胺的心脏组织相比）。

Conklin说：“我们选择药物心脏发育毒性筛选，来阐明心脏微室的临床相关应用。每年，有多达280,000名孕妇暴露于有潜在胎儿危险的药物。最常见的出生缺陷包括心脏，产生心脏缺陷的可能性，显著关系着怀孕期间的用药安全性。”

之前，Healy和其他研究人员公开推出一个系统，这个系统将跳动的人心脏细胞放置在一个芯片上，可以用于筛选药物毒性。然而，这种芯片心脏装置采用预分化的心肌细胞，来模仿成人的组织结构。

在这项新的研究中，科学家们模仿人类组织的形成，他们利用成人皮肤组织基因重组的干细胞，形成具有跳动人类心脏细胞的小腔室。然后，将未分化的干细胞，放置到一个圆形图案的表面上，用来调节细胞的分化和生长。

位置，位置，位置

到两周结束后，二维表面环境的细胞，开始呈现一种三维结构，就像一个脉动的微室。此外，根据细胞是沿着周边定位，还是在细胞群的中间，细胞能够进行自组织。

与中间的细胞相比，沿着边缘的细胞经历了更大的机械应力和张力，并似乎更类似于成纤维细胞，这种细胞会形成结缔组织胶原蛋白。相反，中间的细胞发展成心肌细胞。一旦分化开始后，就能观察到这样的空间组织。与周边细胞相比，中间的细胞更快地失去了八聚体结合转录因子4（Oct4）和上皮钙粘蛋白（E-cadherin）的表达，这对于心脏组织的发育，是至关重要的。

本文第一作者、加州大学伯克利分校生物工程博士后研究人员Zhen Ma说：“这个空间分布差异性是自然发生的，但我们在体外实验中证明了这个过程。密闭的几何图案提供了生化和生物物理线索，指导心肌分化和跳动的微室形成。”

最终可以取代动物模型吗？

这项研究的作者指出，在培养皿和细胞培养板上模拟早期心脏发育，是难以实现的。这方面的研究通常涉及到，解剖不同发育阶段的动物来研究器官的形成，以及这一过程如何会出错。

Healy说：“事实上，我们在这项研究中使用患者来源的人类多能干细胞，代表了这一领域的一个重大变革。之前的心脏微组织研究，主要使用获得的大鼠心肌细胞，这是人类疾病一个不太完美的模型。”

研究人员指出，虽然这项研究主要集中在心脏组织，但是我们可以利用这项技术，来研究其他器官发育，这有很大的潜力。

Healy说：“我们的研究重点一直都是早期心脏发育，但是人类多能干细胞图案组织的基本原则，和随后对它们进行区分，可以很容易地扩展到各种各样的组织中，以了解胚胎发育和组织形态的发生。”