奧地利科學(xué)院生物學(xué)家Sasha Mendjan和團(tuán)隊(duì)使用人類多能干細(xì)胞培養(yǎng)出芝麻大小的心臟模型,又稱心臟線。它可以自發(fā)地進(jìn)行組織,在不需要實(shí)驗(yàn)支架的情況下發(fā)展出一個(gè)中空的心房。這項(xiàng)進(jìn)展使得科學(xué)家創(chuàng)造出一些迄今為止最真實(shí)的心臟類器官。相關(guān)研究5月20日發(fā)表于《細(xì)胞》。
此前,科學(xué)家已經(jīng)制造出3D心臟類器官,這種方法通常需要組裝細(xì)胞和支架,就像用磚塊和砂漿建造房子一樣。但是,這些類器官不能像人類心臟那樣對損害做出響應(yīng),因此往往不能作為良好的疾病模型。
“組織工程學(xué)在很多方面都非常有用,比如測量心臟收縮。”Mendjan說。但在自然界中,器官不是這樣形成的。在胚胎時(shí)期,器官通過一個(gè)叫做自組織的過程自發(fā)地發(fā)育。在該過程中,細(xì)胞模塊能相互作用,并隨著器官結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)和生長四處移動和改變形狀。
“自組織是自然界形成雪花晶體或鳥類群體行為的方式。這很難設(shè)計(jì),因?yàn)樗坪鯖]有計(jì)劃,但仍有一些非常有序和穩(wěn)健的東西出現(xiàn)了?!彼f,“器官的自組織更有活力,很多事情我們不了解。我們認(rèn)為這種‘隱藏的魔法’式發(fā)展,是目前疾病沒有被很好地建模的原因?!?/p>
Mendjan團(tuán)隊(duì)想要在培養(yǎng)皿里模擬自組織發(fā)育。他們以特定的順序激活所有參與胚胎心臟發(fā)育的6個(gè)已知信號通路,誘導(dǎo)干細(xì)胞自我組織。隨著細(xì)胞分化,它們開始形成不同的層——類似心臟壁的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過一周的發(fā)育,這些類器官自組織成一個(gè)有封閉腔的3D結(jié)構(gòu),幾乎重現(xiàn)了人類心臟的自發(fā)生長軌跡。此外,研究小組還發(fā)現(xiàn)心臟壁狀組織能有節(jié)奏地收縮,擠壓腔內(nèi)的液體。
“這并不是說我們在使用與其他研究人員不同的東西,而是我們在使用所有已知的信號?!盡endjan補(bǔ)充說。一直以來,研究人員認(rèn)為并非需要所有途徑來直接引導(dǎo)干細(xì)胞成為心臟細(xì)胞,“所以他們想,‘好吧,它們在體外沒有必要?!聦?shí)證明,所有途徑都是必要的。它們對細(xì)胞自我組織成器官非常重要?!?/p>
該團(tuán)隊(duì)還測試了心臟類器官對組織損傷的反應(yīng)。他們用一根冷鋼棒冷凍部分心臟,并殺死該部位的許多細(xì)胞。細(xì)胞死亡通常是在諸如心臟病發(fā)作等損傷后觀察到的。研究小組立即發(fā)現(xiàn),心臟成纖維細(xì)胞(一種負(fù)責(zé)傷口愈合的細(xì)胞)開始向損傷部位遷移,并產(chǎn)生修復(fù)損傷的蛋白質(zhì)。
“我們希望該心臟模型能更自然地發(fā)展,從而預(yù)測疾病。”Mendjan說,“通過這種方式,制藥公司更愿意將更多藥物引入臨床試驗(yàn),因?yàn)樗麄儗υ囼?yàn)結(jié)果能更確定?!?/p>
該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃培育具有多個(gè)腔室的心臟類器官,就像真正的人類心臟那樣。許多先天性心臟病發(fā)生在心室開始形成的時(shí)候,所以多腔模型將幫助醫(yī)生更好地了解缺陷是如何在胎兒中發(fā)展的。
相關(guān)文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.034
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