撰文 | 十一月
責編 | Qi
人多能幹細胞包括人胚胎幹細胞和誘導多能幹細胞具有在體外自我組裝形成3D結構類器官的能力。目前類器官在不同組織中的應用都有報道【1-3】，但是在心血管領域的進展卻非常有限。在心血管微組織或者心臟類器官方面的研究主要是關於心肌細胞工程學方面的技術推進，比如如何工程化預分化的心血管細胞種類來模擬成體類似的心臟組織【4, 5】。這些類器官複製了人類心臟組織的某些方面，包括基質細胞、內皮細胞網和心外膜層，但不能反映早期心臟發育的過程。因此，關於心臟發育形態學方面的研究空白亟待補充。
2021年2月8日，來自德國漢諾威醫學院的Robert Zweigerdt研究組在Nature Biotechnology雜誌上發表題為 Human heart-forming organoids recapitulate early heart and foregut development 的文章，這項研究開發了能夠概括早期心臟和前腸發育過程的人類心臟形成類器官。
想要建立早期發育相關的心臟類器官，首先需要對早期心臟發育過程有一定的瞭解。心臟是胚胎中首先形成的具有功能的器官，起源於髒壁中胚層（Splanchnic mesoderm）。在預心血管中胚層特化之後，子代在胚胎中線兩側形成雙側心臟形成區。心臟形成區的細胞穿過中線並融合到心臟管，心臟管由心肌層和心內膜兩層細胞組成。之後，心臟管進行成環定位未來的心室結構。
在懸浮培養中，自由漂浮的人多能幹細胞聚集細胞團在響應經典的WNT訊號通路後可有效分化為高度純化的心肌細胞【6, 7】。基於先前的研究，作者們建立了能夠應用於心臟形成類器官的實驗流程（圖1）。該流程將一定數量的多能幹細胞團包埋於基質膠（Matrigel），由此建立起來的具有一定尺寸3D心臟形成結構。透過逐漸進行的分化過程，14天左右的時間作者們得到了直徑約2mm的類器官。
圖1. 心臟形成類器官形成的實驗方法
在得到相應的類器官後，作者們首先對該類器官能否概括早期心臟發育過程進行評估。NKX2.5-eGFP人胚胎幹細胞報告基因形成環類似結構，可以作為心臟發育過程監控的報告因子【8】。利用該報告因子建立的心臟形成類器官在10天左右的時候會形成NKX2.5-eGFP陽性的心肌層（Myocardial layer, ML）以及NKX2.5-eGFP陰性的核心層（Inner core, IC）。透過免疫熒光染色以及活體成像追蹤等方式作者們確認心臟形成類器官可以形成經典的三層心臟細胞層結構，該結構被鬆散排列的心肌細胞和ST（Septum transversum）樣細胞覆蓋，最終被間充質細胞包圍，可以概括早期心臟發育過程的模式。透過CD31的免疫染色， 作者們確認在心臟形成類器官中形成了血管類似結構，進一步透過心內膜細胞標記物NFATc1的染色確認了心臟形成類器官中包含心內膜類似的細胞。
除了血管類似的結構外，作者們透過H&E染色發現心臟形成類器官中包含一些磚塊樣上皮細胞（Brick-like epithelial cells）的結構。透過SOX17、SOX2以及HNF4α細胞標記物的染色作者們確認建立的心臟形成類器官中還存在前腸內胚層的組織結構。進一步地，作者們透過微陣列分析和單細胞RNA測序確認心臟形成類器官中存在前-後軸中胚層的模式。
圖3 心臟形成類器官可以概括心臟早期發育過程以及前腸的部分結構
總的來說，該工作建立了一個可以誘導人多能幹細胞形成自主裝的心臟形成類器官的穩健實驗方法，成功構建的機率為88%。該心臟形成類器官可以形成具有心臟結構不同細胞層模式同時又具有前腸內胚層的結構。另外，作者們從細胞標記物以及遺傳學、大資料測序等方面證明了該類器官模型的有效性和概括性。為未來的自動化的高通量藥物篩選提供了重要工具，為研究人類胚胎發生機制、疾病建模和藥物發現開闢了新的前景。
原文連結：
https://doi.org/10.1038/s41587-021-00815-9
製版人：十一
參考文獻
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