用干細胞培育出“迷你”心臟組織

日期：2016-04-22 08:50:06

最近，英國Gladstone研究所的科學家們，發明了一種新的方法，用干細胞培育出三維的人體心臟組織。這種組織可用于模擬疾病和測試藥物，從而為治療心臟病的精密醫學方法，開辟了新的途徑。雖然目前有用心臟細胞培育三維組織的技術，但是，這種新方法大大減少了所需的細胞數量，從而使它成為一種更簡單、更便宜和更高效的系統。相關研究結果發表在最近的Nature子刊《Scientific Reports》。Gladstone研究院高級研究員Bruce R Conklin和加州大學伯克利分校的Kevin E. Healy是本文共同通訊作者。

本文第一作者、Conklin實驗室的博士后Nathaniel Huebsch指出：“我們用一種很容易被復制的方法，培育出了生物工程的微尺度心臟組織，這將使干細胞生物學和藥物產業領域的科學家能夠在適當的情況下研究心臟細胞。反過來，這將促使我們開發治療心臟病的新方法。”

用患者皮膚細胞來源的誘導多能干細胞（iPSCs）制備心臟細胞，可使科學家能夠研究和測試病人特定疾病的藥物。然而，由iPSCs制成的細胞相對不成熟，相比較成人體內的細胞，它更類似于胚胎中的心臟細胞。同樣地，這些細胞用于藥物測試是不夠的，因為它們不能正確預測一種藥物如何影響成人心臟細胞。此外，用iPSCs制備心臟細胞具有挑戰性，所以大量制備是很困難的。因此，需要的細胞越少越好。

迷你心肌組織可解決這兩個問題。迫使細胞組織并拉伸成三維組織，可幫助刺激發育，并催使它們像更成熟的細胞，可以更好地預測一種藥物如何影響成人心臟細胞。此外，與其他組織工程技術相比，這種新方法制備組織所需要的細胞少了一千倍。使用更少的細胞，可讓科學家們用相同數量的資源，做更多的試驗。

研究人員與加州大學伯克利分校的Kevin Healy博士合作，首先用iPSCs制備了心肌細胞和結締組織細胞。然后，他們將這些細胞放入一個特殊的培養皿中，其形狀像一個小的狗骨頭。這種獨特的形狀，可促使細胞自組織塑造成細長的肌肉纖維。幾天之內，微型組織在結構和功能上都類似于心肌。例如，當研究人員測試組織如何響應某些藥物時——可損害胎兒心臟細胞而不是成人心臟細胞，這些迷你心肌組織表現得更像成人心臟組織。

本文資深作者、Gladstone研究院高級研究員Bruce Conklin表示：“這種技術的優點在于，它非常容易和穩健，但它仍然能讓我們培育出和正常組織一樣功能的三維微型組織。我們的研究顯示，你可以用一個簡單的模板，利用這些細胞的固有特性進行自組織，制備這些復雜的組織。我們認為，微型心肌將提供一種優越的資源用于研究，以及開發心臟病療法。”

早在2013年，美國科學家就用人類干細胞培育出能夠跳動的老鼠心臟，為培育需要移植的器官帶來新的曙光（科學家用干細胞培育出跳動的心臟）。2013年11月19日在生物醫學雜志PNAS上發表的一項基礎研究，鑒定了與心臟功能緊密相關的理想結構和細胞比率。研究者利用組織收縮的計算模型和結合微加工約束的總成力學，設計了人多能干細胞（hPSC）來源的均衡的、功能性的心臟微組織。這項發現也指引研究者首次構建了第一例與心律不齊有關的三維循環組織活體模型。

2014年10月，京都大學山下潤教授率領的研究小組日前宣布，他們利用人類誘導多功能干細胞（ｉＰＳ細胞），首次成功培育出了由心肌和血管等數種細胞組成的心臟組織細胞層。這有望用于對心臟病患者進行再生醫療（iPS細胞首次育成心臟組織細胞層）。去年7月，加州大學伯克利分校的研究人員，與Gladstone研究所的科學家合作，開發出一種模板，利用干細胞制備跳動的心臟組織，從而創建了一種系統，可以作為早期心臟發育模型，以及讓懷孕更安全的一種藥物篩選工具。相關研究結果發表在《Nature Communications》雜志。