PNAS：多能干细胞来源的体外心脏组织模型

　　

生物通报道：11月19日在生物医学杂志PNAS上发表的一项基础研究，鉴定了与心脏功能紧密相关的理想结构和细胞比率。研究者利用组织收缩的计算模型和结合微加工约束的总成力学，设计了人多能干细胞（hPSC）来源的均衡的、功能性的心脏微组织。这项发现也指引研究者首次构建了第一例与心律不齐有关的三维循环组织活体模型。

健康和预测性的人类心脏组织功能的体外模型，能够对我们检测新药和理解心脏疾病产生变革性的影响。然而，尽管科学家们为之付出了了巨大的努力，高保真度的成人心脏组织类似物的产生仍然具有挑战性。多伦多大学生物材料和生物医学工程研究所（IBBME）和McEwen再生医学中心的研究者们，系统地探索了多能干细胞来源的组织工程心肌组织的设计标准。他们评估了诸如组织重建过程中的生物力学应力、输入细胞成分、电刺激和组织几何学的参数。利用组织收缩的计算模型和结合微加工约束的总成力学，设计了人多能干细胞（hPSC）来源的均衡的、功能性的心脏微组织，称为心脏微丝（CMWs）。

这项研究成果发表在11月19日国际生物医学杂志PNAS上，是首次尝试定义和制定产生高功能心脏组织的精确类型和细胞类型比率的一项研究。该研究表明，一个3D的基于矩阵的微环境、单轴的力学应力、心肌细胞与成纤维细胞混合组成的一个特殊组合，能够改善体外组织工程心肌组织的性能和成熟状态。

该研究的第一作者、IBBME博士研究生Nimalan Thavandiran称，“心脏不仅仅由单一类型的细胞组成。”但是，直到目前，科学家们还不知道在组织工程心脏组织中如何将不同细胞类型以这样一种方式——组织达到人自然心脏的组成和成熟水平——进行混合。

Thavandiran通过系统地分离出人类多能干细胞来源的不同细胞类型，再将它们精确地混合在一起，从而揭开了这个谜团。利用与功能性心脏——收缩、电活动和细胞排列——有关的评分标准，Thavandiran开发了一个高功能心脏组织的公式。

Thavandiran强调，“细胞的组成是至关重要的。我们发现，25%的心肌成纤维细胞（类皮肤细胞）与75%的心肌细胞（心脏细胞）的一个混合，起到最好效果。”然后，这些按精确比率组成的细胞，生长在模拟人心脏组织结构的三维“电线”中。

本文的通讯作者、IBBME和McEwen再生医学中心的干细胞生物工程加拿大首席科学家Peter Zandstra教授强调：“我们这项研究的令人兴奋的一个结果是，我们能够使这些组织小型化到人心脏的微组织，这个微组织能够用来检测正常的和患病的人心脏对药物的反应。”通过探索心脏细胞的正确组成，研究者接下来设计了首例三维的心律不齐组织模型。

每年有数百万人患心律不齐症，这种疾病中，心脏的电脉冲反馈被打断，使心脏不能有效地收缩和泵血。然而，根据正确的细胞组成，研究者能够设计与心律不齐有关的循环组织模型。然后，研究者将电脉冲应用到心律不齐组织中，将不规则搏动的组织“跳到”一种规律收缩的状态。

因为人心脏细胞不容易生长，因此心脏研究者而言，至关重要的是能够设计来自人类干细胞的高度功能性的心脏组织。化学工程和应用科学系的核心成员、功能性心血管组织工程加拿大研究主席和IBBME的副教授、本文的通讯作者Milica Radisic指出，“我们现在能够将这个组合的知识，跟电刺激和机械刺激结合起来，以获得心脏研究所必需的一个真正的仿生系统。”

谈到高功能性心脏组织对重要的药物筛选研究的迫切需要，Thavandiran补充说：“我们正在进行一个很大的推动，将这种模型推向市场。”研究团队一直以来都与再生医学商业化中心（CCRM）合作，以使他们的这种组织模型平台商业化。（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Design and formulation of functional pluripotent stem cell-derived cardiac microtissues
Abstract：Access to robust and information-rich human cardiac tissue models would accelerate drug-based strategies for treating heart disease. Despite significant effort, the generation of high-fidelity adult-like human cardiac tissue analogs remains challenging. We used computational modeling of tissue contraction and assembly mechanics in conjunction with microfabricated constraints to guide the design of aligned and functional 3D human pluripotent stem cell (hPSC)-derived cardiac microtissues that we term cardiac microwires (CMWs). Miniaturization of the platform circumvented the need for tissue vascularization and enabled higher-throughput image-based analysis of CMW drug responsiveness. CMW tissue properties could be tuned using electromechanical stimuli and cell composition. Specifically, controlling self-assembly of 3D tissues in aligned collagen, and pacing with point stimulation electrodes, were found to promote cardiac maturation-associated gene expression and in vivo-like electrical signal propagation. Furthermore, screening a range of hPSC-derived cardiac cell ratios identified that 75% NKX2 Homeobox 5 (NKX2-5)+ cardiomyocytes and 25% Cluster of Differentiation 90 OR (CD90)+ nonmyocytes optimized tissue remodeling dynamics and yielded enhanced structural and functional properties. Finally, we demonstrate the utility of the optimized platform in a tachycardic model of arrhythmogenesis, an aspect of cardiac electrophysiology not previously recapitulated in 3D in vitro hPSC-derived cardiac microtissue models. The design criteria identified with our CMW platform should accelerate the development of predictive in vitro assays of human heart tissue function.