皮肤干细胞培育出人类“迷你”心脏

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哈佛大学的研究人员已经生物工程化了一个人体左心室的三维模型,可用于研究疾病,测试药物和开发针对心律失常等心脏疾病的患者特异性治疗方法。

片上器官(器官芯片)正在成为强大的工具,使研究人员能够以前所未有的方式研究人体器官和组织的生理学。通过模拟正常血流,机械微环境以及不同组织在活体器官中如何彼此物理连接,它们提供了比其他体外方法更有系统的方法来测试药物,最终可以帮助替代动物测试。

据物理学家组织网7月23日报道,哈佛大学研究人员通过生物工程技术,研制出人类心脏左心室的三维模型,未来可用于药物检测以及心率不齐等疾病疗法的研究。

美国科学家对从人体皮肤提取的多能干细胞进行遗传重组,培育出了一颗拥有人的心脏细胞的微心室。这颗“小心脏”能像完整大小的心脏那样跳动。研究人员表示,这种“迷你”器官可替代动物实验,筛查新药或测试药物对婴儿的影响,而且还将帮助科学家们揭示更多人体心脏形成和发育的秘密。

该组织用接种有人心脏细胞的纳米纤维支架进行工程改造。支架的作用类似于三维模板,将细胞及其组装引导至体外搏动的心室。这使得研究人员可以使用临床中使用的许多相同工具来研究心脏功能,包括压力容积环和超声波。

由于可能需要数周时间才能将人体细胞培养成器官芯片内的完整分化和功能组织,例如那些模仿肺部和肠道的组织,研究人员试图了解药物,毒素或其他扰动如何改变组织结构和功能,由Don Ingber领导的Wyss生物启发工程研究所一直在寻找无创监测这些微流体装置中培养的细胞的健康和成熟的方法。特别难以测量在器官芯片内生长的细胞的电功能的变化,所述细胞通常是电活性的,例如脑中的神经元细胞或搏动的心脏细胞,在它们的分化期间和对药物的响应中。

该模型利用采于人体心脏细胞的纳米纤维搭成支架来协助构建组织。这种支架如同三维模版,可以引导细胞及其组织进入体外搏动的心室腔。这让科学家可以借助使用压力容积环、超声波等临床通用工具,实现对心脏功能的进一步研究。

该研究的合作者、加州大学伯克利分校生物工程学教授凯文·希利7月15日接受英国每日邮报采访时说:“我们相信,这是首个在试管中培育出的人体微心室。这一技术或能帮助我们快速筛查出可能导致胎儿罹患先天性心脏病的药物。”

该研究发表在Nature Biomedical Engineering上。

现在,Ingber的团队与Wyss核心学院成员Kit Parker及其团队合作,通过将器官芯片与嵌入式电极相配合,为这些问题提供解决方案,从而能够准确,持续地监测跨上皮电阻(TEER),这是一种广泛使用的组织健康指标如心脏芯片模型所示,分化和活细胞电活动的实时评估。

研究团队主要成员之一、哈佛大学约翰A.保尔森工程与应用科学学院生物工程与应用物理教授基特·帕克说:“整个团队已耗时十余年研究此项目,目标是制造出一个完整的心脏。此次进展是迈向最终目标相当重要的一步。”

他与加州大学旧金山分校格拉德斯通心血管疾病研究所研究员布鲁斯·康克林使用生物化学和生物物理学方法,促使干细胞分化并自我组织成这个包括微心室在内的微型心脏组织。相关研究发表在最新一期的《自然·通讯》杂志上。

哈佛John A. Paulson学校的生物工程和应用物理塔尔家庭教授Kit Parker说:我们的团队已经花了十年时间,努力实现建立全心的目标,这是迈向这一目标的重要一步。工程与应用科学学院和该研究的高级作者。从再生心血管医学到其作为药物发现的体外模型的应用,应用广泛而多样。

Ingber,医学博士,博士,是Wyss研究所的创始主任,也是哈佛医学院血管生物学的Judah Folkman教授和波士顿儿童医院的血管生物学项目,以及哈佛大学生物工程学教授John A.保尔森工程与应用科学学院(SEAS)。Parker还是SEAS生物工程和应用物理的Tarr家庭教授。

研究人员表示,这种模型一旦投入使用,其在心血管疾病再生医学领域以及作为体外模型进行药物开发等相关研究中,均会产生巨大而广泛的影响。项目的长期目标是实现在医学研究中以人类模型替代动物模型,或弥补动物模型的不足。未来,研究人员可通过收集病人的干细胞来构建组织模型,从而完全复制出其器官功能和特性。

为了测试这套系统作为药物筛查工具的潜力,研究人员让正在分化的细胞同可能会导致严重的先天缺陷的药物利度胺接触。他们发现,在正常的治疗剂量下,这一药物会导致微心室的发育出现反常,包括大小不断萎缩、肌肉收缩和心律降低等问题。