人多能干細(xì)胞（hPSC）具有自我更新和分化的潛能，在適宜的條件下幾乎可以體外擴(kuò)增和分化為任何成年組織細(xì)胞類型，用于人體各器官正常發(fā)育和疾病進(jìn)展的研究，也是細(xì)胞療法最有利的來源。
目前廣泛應(yīng)用于臨床研究的hpsc主要有胚胎干細(xì)胞（hESCs）和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSCs），研究人員已經(jīng)為腸、腦、腎等器官建立了早期組織發(fā)育的類器官模型，但其在心血管領(lǐng)域的進(jìn)展有限，針對心臟，尤其是心臟發(fā)育形態(tài)研究的類似方法仍較為缺乏。
近日，來自德國漢諾威醫(yī)學(xué)院的研究人員在《Nature Biotechnology》上發(fā)表了題為Human heart-forming organoids recapitulate early heart and foregut development的研究成果，其開發(fā)了一種方法，利用hPSC定向分化生成了復(fù)雜且高度結(jié)構(gòu)化的三維心臟形成類器官（HFO），可用于研究心臟的早期發(fā)育模式和前腸的發(fā)育。
心臟是胚胎中形成的第一個功能器官。它起源于臟壁中胚層的位于胚胎中線兩側(cè)的兩個心原基區(qū)域，與發(fā)育中的前腸內(nèi)胚層緊密靠近相互作用決定著心臟的發(fā)育。然后心原基細(xì)胞發(fā)育融合到由心肌層和心內(nèi)膜組成的心管，心管與周圍的間充質(zhì)陷入圍心腔后，發(fā)育出心臟的最外層即心外膜，形成初始的心室結(jié)構(gòu)。
前期研究發(fā)現(xiàn)，自由懸浮的hPSC聚集細(xì)胞團(tuán)可經(jīng)CHIR（WNT途徑激活劑）和IWP2（WNT途徑抑制劑）處理，在響應(yīng)經(jīng)典的WNT信號通路后有效分化為高純度的心肌細(xì)胞?；诖?，研究人員開發(fā)了一種建立心臟形成類器官模型的方法，其將一定數(shù)量的hPSC聚集細(xì)胞團(tuán)嵌入基質(zhì)膠中，先后使用CHIR17和IWP2誘導(dǎo)處理，通過逐漸分化，14天后獲得了穩(wěn)定的直徑約2mm的三維心臟形成類器官（HFO）。
獲得HFO后，研究人員對其能否概述早期心臟發(fā)育模式進(jìn)行了驗證。Nkx2.5是心臟發(fā)育密切相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，參與右側(cè)環(huán)化、心腔分化等心臟形成過程，其融合綠色熒光基因形成的報告因子NKX2.5–eGFP，可以監(jiān)控心臟的發(fā)育過程。
研究人員觀察到，在分化第10天時，NKX2.5–eGFP衍生的HFO即形成NKX2.5-eGFP陰性的內(nèi)核（IC）和NKX2.5-eGFP陽性的密集心肌層（ML），并進(jìn)一步被松散的NKX2.5–eGFP陽性和陰性的外層細(xì)胞（OL）所覆蓋。同時，研究人員也通過免疫熒光染色在HFO中檢測到覆蓋ML的心肌細(xì)胞和ST樣細(xì)胞以及包圍在最外層的組織松散的間充質(zhì)細(xì)胞。此外，CD31的免疫熒光和染色透射電子顯微鏡（TEM）也檢測到血管樣結(jié)構(gòu)（VLs）和心內(nèi)膜樣細(xì)胞的形成。這均表明，獲得的HFO具有早期心臟發(fā)育的特征。
在檢測HFO中的IC時，研究人員觀察到IC還具有一些形態(tài)不同的腔，而腔內(nèi)有磚樣上皮細(xì)胞。考慮到中胚層衍生物的密切發(fā)育起源，其猜測這些腔可能是內(nèi)胚層。經(jīng)過SOX17，SOX2和HNF4α等信號標(biāo)記物的染色，研究人員驗證了HFO中也存在著不同的前腸內(nèi)胚層組織。并進(jìn)一步通過微陣列分析和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序確認(rèn)了HFO中還存在前-后內(nèi)胚層的獨特模式。
最后，研究人員構(gòu)建了NKX2.5-KO hESC（敲除了NKX2.5）分化的HFO，發(fā)現(xiàn)其也會形成類似于小鼠中NKX2.5缺失所導(dǎo)致的心肌細(xì)胞粘附減少和心肌肥大表型，更加的驗證了該HFO在模擬早期心臟發(fā)育過程中的精確性。
簡而言之，研究人員建立了一種利用hPSC定向分化三維心臟形成類器官的穩(wěn)定方法，并驗證了其可精確模擬早期心臟發(fā)育模式，或可廣泛應(yīng)用于體外研究心臟遺傳缺陷和前腸的發(fā)育。
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