Sci Rep：使用iPS细胞制造出迷你心肌组织，可以用于药物测试

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。

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（皮肤干细胞培育出人类“迷你”心脏，助力筛查药物）。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。”（皮肤干细胞培育出人类“迷你”心脏，助力筛查药物）

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（PLoS ONE：iPS细胞来源的心血管祖细胞治疗心血管疾病）。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。

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。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。

上个月成功发现心血管祖细胞一种特异的中间状态，有助于将来进行心肌细胞定向分化的研究（Cell Stem Cell：一种中间状态的心血管祖细胞可能成为心血管疾病钥匙）

最新Circulation Research》杂志上报道“培养出功能性的心脏组织需要克服一系列的困难”，Guyette说道：“这包括提供一个能够支持心脏功能的支架，一群分化除特殊功能的心脏细胞以及适宜细胞生存与发挥功能的环境”。在该研究中，研究者们共收集到了73颗人类心脏，同时利用IPS技术分化得到5亿个心肌细胞，之后将它们种植到了“拆包”的心脏组织中。经过一段时间的体外培养，从心肌细胞分化出了较为完整的心脏。这是第一次利用IPS细胞培养出心脏的成功案例。培养好的心脏器官存放在自动生物反应系统（如图所示）中。该系统能够提供足够的营养以及类比生理条件下心脏器官的环境（Circ Res：iPS技术制作出工程化心脏，心脏移植手术或将不必等待供体配型）

原始出处：

Huebsch N, Loskill P, Deveshwar N, Spencer CI, Judge LM, Mandegar MA, B Fox C, Mohamed TM, Ma Z, Mathur A, Sheehan AM, Truong A, Saxton M, Yoo J, Srivastava D, Desai TA, So PL, Healy KE, Conklin BR. Miniaturized iPS-Cell-Derived Cardiac Muscles for Physiologically Relevant Drug Response Analyses. Sci Rep. 2016 Apr 20;6:24726. doi: 10.1038/srep24726.