最近，英國(guó)Gladstone研究所的科學(xué)家們，發(fā)明了一種新的方法，用干細(xì)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(cè)試藥物，從而為治療心臟病的精密醫(yī)學(xué)方法，開(kāi)辟了新的途徑。雖然目前有用心臟細(xì)胞培育三維組織的技術(shù)，但是，這種新方法大大減少了所需的細(xì)胞數(shù)量，從而使它成為一種更簡(jiǎn)單、更便宜和更高效的系統(tǒng)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在最近的Nature子刊《Scientific Reports》。Gladstone研究院高級(jí)研究員Bruce R Conklin和加州大學(xué)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(shí)驗(yàn)室的博士后Nathaniel Huebsch指出：“我們用一種很容易被復(fù)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(xì)胞生物學(xué)和藥物產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)家能夠在適當(dāng)?shù)那闆r下研究心臟細(xì)胞。反過(guò)來(lái)，這將促使我們開(kāi)發(fā)治療心臟病的新方法。”

用患者皮膚細(xì)胞來(lái)源的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）制備心臟細(xì)胞，可使科學(xué)家能夠研究和測(cè)試病人特定疾病的藥物。然而，由iPSCs制成的細(xì)胞相對(duì)不成熟，相比較成人體內(nèi)的細(xì)胞，它更類似于胚胎中的心臟細(xì)胞。同樣地，這些細(xì)胞用于藥物測(cè)試是不夠的，因?yàn)樗鼈儾荒苷_預(yù)測(cè)一種藥物如何影響成人心臟細(xì)胞。此外，用iPSCs制備心臟細(xì)胞具有挑戰(zhàn)性，所以大量制備是很困難的。因此，需要的細(xì)胞越少越好。

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

研究人員與加州大學(xué)伯克利分校的Kevin Healy博士合作，首先用iPSCs制備了心肌細(xì)胞和結(jié)締組織細(xì)胞。然后，他們將這些細(xì)胞放入一個(gè)特殊的培養(yǎng)皿中，其形狀像一個(gè)小的狗骨頭。這種獨(dú)特的形狀，可促使細(xì)胞自組織塑造成細(xì)長(zhǎng)的肌肉纖維。幾天之內(nèi)，微型組織在結(jié)構(gòu)和功能上都類似于心肌。例如，當(dāng)研究人員測(cè)試組織如何響應(yīng)某些藥物時(shí)——可損害胎兒心臟細(xì)胞而不是成人心臟細(xì)胞，這些迷你心肌組織表現(xiàn)得更像成人心臟組織。

本文資深作者、Gladstone研究院高級(jí)研究員Bruce Conklin表示：“這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，它非常容易和穩(wěn)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(gè)簡(jiǎn)單的模板，利用這些細(xì)胞的固有特性進(jìn)行自組織，制備這些復(fù)雜的組織。我們認(rèn)為，微型心肌將提供一種優(yōu)越的資源用于研究，以及開(kāi)發(fā)心臟病療法。”

早在2013年，美國(guó)科學(xué)家就用人類干細(xì)胞培育出能夠跳動(dòng)的老鼠心臟，為培育需要移植的器官帶來(lái)新的曙光（科學(xué)家用干細(xì)胞培育出跳動(dòng)的心臟）。2013年11月19日在生物醫(yī)學(xué)雜志PNAS上發(fā)表的一項(xiàng)基礎(chǔ)研究，鑒定了與心臟功能緊密相關(guān)的理想結(jié)構(gòu)和細(xì)胞比率。研究者利用組織收縮的計(jì)算模型和結(jié)合微加工約束的總成力學(xué)，設(shè)計(jì)了人多能干細(xì)胞（hPSC）來(lái)源的均衡的、功能性的心臟微組織。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)也指引研究者首次構(gòu)建了第一例與心律不齊有關(guān)的三維循環(huán)組織活體模型。

2014年10月，京都大學(xué)山下潤(rùn)教授率領(lǐng)的研究小組日前宣布，他們利用人類誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞（ｉＰＳ細(xì)胞），首次成功培育出了由心肌和血管等數(shù)種細(xì)胞組成的心臟組織細(xì)胞層。這有望用于對(duì)心臟病患者進(jìn)行再生醫(yī)療（iPS細(xì)胞首次育成心臟組織細(xì)胞層）。去年7月，加州大學(xué)伯克利分校的研究人員，與Gladstone研究所的科學(xué)家合作，開(kāi)發(fā)出一種模板，利用干細(xì)胞制備跳動(dòng)的心臟組織，從而創(chuàng)建了一種系統(tǒng)，可以作為早期心臟發(fā)育模型，以及讓?xiě)言懈踩囊环N藥物篩選工具。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《Nature Communications》雜志。