可自主跳動的人類自組織心臟類器官培育成功

奧地利科學院分子生物技術研究所的科學家利用人類多能幹細胞培育出“迷你”心臟類器官，稱為“類心臟”，它們可以自行組織為心腔狀結構而無需實驗支架，可自主跳動。這一成果可能會徹底改變對心血管疾病和先天性心臟病的研究，相關論文發表在近日的《細胞》雜誌上。

缺乏良好的人類心臟生理模型是阻礙人們理解心臟疾病、開發再生療法的主要瓶頸。以前的組織工程學3D心臟類器官對損傷的生理反應與人類心臟不同，往往不能作為良好的疾病模型。

在過去的十年裏，自組織類器官領域為生物醫學研究帶來了革命性變化。然而，能夠重現發育和損傷反應過程的心臟類器官研究卻一直沒有進展。

研究負責人薩沙·門德詹説：“要使體外組織完全具有生理性，它還需要經歷器官的形成過程。”在胚胎中，器官通過自組織過程自行發育，在此過程中，細胞構件相互作用，隨着器官結構的出現和生長而四處移動並改變形狀。

此次，研究人員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，誘導幹細胞自行組織。隨着細胞的分化，它們開始形成獨立的層，類似於心壁結構。經過一週的發育，這些類器官自組成一個有封閉空腔的3D結構——相當於25天大的心臟。這種過程類似於人類心臟的自發生長軌跡。在這個階段，心臟只有一個心室，將成為成熟心臟的左心室。類器官直徑約為2毫米，包含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。

研究小組發現這顆“迷你”心臟有一個清晰的心室，可有節奏地收縮，從而擠壓腔內的液體。其每分鐘跳動60到100次，這與相同年齡大小的心臟的速率相同。

此外，研究小組還測試了這一心臟類器官對組織損傷的反應。他們用一根冰冷的鋼棒殺死了心臟類器官的部分細胞來模擬心臟病發作後的情況，結果發現，負責傷口癒合的心臟成纖維細胞開始向損傷部位遷移，併產生修復損傷的蛋白質。

今後，該研究小組還計劃培育出如同人類真實心臟一樣的具有多個腔室的心臟類器官。許多先天性心臟病是在其他腔室開始形成時發生的，因此多腔模型將幫助醫生更好地瞭解胎兒的心臟缺陷是如何形成的。