用干细胞培育出“迷你”心脏组织

最近，英国Gladstone研究所的科学家们，发明了一种新的方法，用干细胞培育出三维的人体心脏组织。这种组织可用于模拟疾病和测试药物，从而为治疗心脏病的精密医学方法，开辟了新的途径。相关研究结果发表在最近的Nature子刊《Scientific Reports》。

　　

生物通报道：最近，英国Gladstone研究所的科学家们，发明了一种新的方法，用干细胞培育出三维的人体心脏组织。这种组织可用于模拟疾病和测试药物，从而为治疗心脏病的精密医学方法，开辟了新的途径。虽然目前有用心脏细胞培育三维组织的技术，但是，这种新方法大大减少了所需的细胞数量，从而使它成为一种更简单、更便宜和更高效的系统。相关研究结果发表在最近的Nature子刊《Scientific Reports》。Gladstone研究院高级研究员Bruce R Conklin和加州大学伯克利分校的Kevin E. Healy是本文共同通讯作者。

本文第一作者、Conklin实验室的博士后Nathaniel Huebsch指出：“我们用一种很容易被复制的方法，培育出了生物工程的微尺度心脏组织，这将使干细胞生物学和药物产业领域的科学家能够在适当的情况下研究心脏细胞。反过来，这将促使我们开发治疗心脏病的新方法。”

用患者皮肤细胞来源的诱导多能干细胞（iPSCs）制备心脏细胞，可使科学家能够研究和测试病人特定疾病的药物。然而，由iPSCs制成的细胞相对不成熟，相比较成人体内的细胞，它更类似于胚胎中的心脏细胞。同样地，这些细胞用于药物测试是不够的，因为它们不能正确预测一种药物如何影响成人心脏细胞。此外，用iPSCs制备心脏细胞具有挑战性，所以大量制备是很困难的。因此，需要的细胞越少越好。

迷你心肌组织可解决这两个问题。迫使细胞组织并拉伸成三维组织，可帮助刺激发育，并催使它们像更成熟的细胞，可以更好地预测一种药物如何影响成人心脏细胞。此外，与其他组织工程技术相比，这种新方法制备组织所需要的细胞少了一千倍。使用更少的细胞，可让科学家们用相同数量的资源，做更多的试验。

获取Lonza Poietics™ 人干细胞和培养基详细技术信息请填写联系方式

研究人员与加州大学伯克利分校的Kevin Healy博士合作，首先用iPSCs制备了心肌细胞和结缔组织细胞。然后，他们将这些细胞放入一个特殊的培养皿中，其形状像一个小的狗骨头。这种独特的形状，可促使细胞自组织塑造成细长的肌肉纤维。几天之内，微型组织在结构和功能上都类似于心肌。例如，当研究人员测试组织如何响应某些药物时——可损害胎儿心脏细胞而不是成人心脏细胞，这些迷你心肌组织表现得更像成人心脏组织。

本文资深作者、Gladstone研究院高级研究员Bruce Conklin表示：“这种技术的优点在于，它非常容易和稳健，但它仍然能让我们培育出和正常组织一样功能的三维微型组织。我们的研究显示，你可以用一个简单的模板，利用这些细胞的固有特性进行自组织，制备这些复杂的组织。我们认为，微型心肌将提供一种优越的资源用于研究，以及开发心脏病疗法。”

早在2013年，美国科学家就用人类干细胞培育出能够跳动的老鼠心脏，为培育需要移植的器官带来新的曙光（科学家用干细胞培育出跳动的心脏）。2013年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（PNAS：多能干细胞来源的体外心脏组织模型）。

2014年10月，京都大学山下润教授率领的研究小组日前宣布，他们利用人类诱导多功能干细胞（ｉＰＳ细胞），首次成功培育出了由心肌和血管等数种细胞组成的心脏组织细胞层。这有望用于对心脏病患者进行再生医疗（iPS细胞首次育成心脏组织细胞层）。去年7月，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《Nature Communications》杂志（首次用干细胞制备人类心脏早期发育模型）。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Miniaturized iPS-Cell-Derived Cardiac Muscles for Physiologically Relevant Drug Response Analyses
Abstract: Tissue engineering approaches have the potential to increase the physiologic relevance of human iPS-derived cells, such as cardiomyocytes (iPS-CM). However, forming Engineered Heart Muscle (EHM) typically requires >1 million cells per tissue. Existing miniaturization strategies involve complex approaches not amenable to mass production, limiting the ability to use EHM for iPS-based disease modeling and drug screening. Micro-scale cardiospheres are easily produced, but do not facilitate assembly of elongated muscle or direct force measurements. Here we describe an approach that combines features of EHM and cardiospheres: Micro-Heart Muscle (μHM) arrays, in which elongated muscle fibers are formed in an easily fabricated template, with as few as 2,000 iPS-CM per individual tissue. Within μHM, iPS-CM exhibit uniaxial contractility and alignment, robust sarcomere assembly, and reduced variability and hypersensitivity in drug responsiveness, compared to monolayers with the same cellular composition. μHM mounted onto standard force measurement apparatus exhibited a robust Frank-Starling response to external stretch, and a dose-dependent inotropic response to the β-adrenergic agonist isoproterenol. Based on the ease of fabrication, the potential for mass production and the small number of cells required to form μHM, this system provides a potentially powerful tool to study cardiomyocyte maturation, disease and cardiotoxicology in vitro.