人體器官是如何發(fā)育的？當(dāng)它們患病時(shí)會發(fā)生什么？為了回答這些問題，研究人員越來越關(guān)注所謂的類器官（Organoid）。這些微型器官通常只有幾毫米大小，由實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的細(xì)胞群組成，可以形成類似器官的結(jié)構(gòu)。類器官技術(shù)的誕生，讓在體外研究細(xì)胞在三維空間中的相互作用成為可能。
近日，德國漢諾威醫(yī)學(xué)院 Robert Zweigerdt 團(tuán)隊(duì)等在 Nature 子刊 Nature Cell Biology 上發(fā)表了題為：Blood-generating heart-forming organoids recapitulate co-development of the human haematopoietic system and the embryonic heart 的研究論文【1】。該研究首次成功構(gòu)建了可生成血液的心臟類器官。
類器官的生成并不容易，其所需的營養(yǎng)素、生長因子和信號分子必須按照特定的順序和特定的時(shí)間按照精確的時(shí)間表添加。
2021年2月，Robert Zweigerdt 團(tuán)隊(duì)在 Nature Biotechnology 期刊發(fā)表論文【2】，首次成功制造了心臟形成類器官（Heart-forming Organoid，HFO），并在培養(yǎng)中重現(xiàn)了人類心臟早期階段的完整路徑。
到目前為止，科學(xué)界尚未解決的一個(gè)問題是如何同時(shí)模擬心臟發(fā)育和造血過程。人類胚胎在第四周時(shí)，造血開始在主動脈中形成，與心臟原基的形成時(shí)間和位置相近。
在這項(xiàng)新研究中，研究團(tuán)隊(duì)在他們之前開發(fā)的心臟類器官模型（HFO）的基礎(chǔ)上，逐步添加了特殊因子，從而創(chuàng)造了一種新、產(chǎn)生血液的心臟類器官——BG-HFO（blood-generating HFO）。
這種微型心臟是由人類多能干細(xì)胞（hPSC）制造的。hPSC是具有特殊性質(zhì)的干細(xì)胞，它們可以在培養(yǎng)基中無限繁殖并形成任何類型的細(xì)胞。借助嵌入在水凝膠基質(zhì)中的生物或化學(xué)信號，可以控制hPSC的分化，使三維細(xì)胞聚集體在10-14天內(nèi)發(fā)育為心臟類器官。這并不是簡單的心肌細(xì)胞簇，而是由至少7種不同的、結(jié)構(gòu)清晰的細(xì)胞和組織類型組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
與自然胚胎發(fā)育過程一樣，這些心臟類器官由三層杯狀結(jié)構(gòu)組成，包括心臟的前體細(xì)胞、肝、肺和血管。研究團(tuán)隊(duì)表示，經(jīng)過調(diào)整的分化方案，在心臟類器官上添加了一個(gè)致密的內(nèi)皮層，它排列在血管上，并從那里產(chǎn)生造血細(xì)胞和祖細(xì)胞。這也是第一個(gè)根據(jù)胚胎發(fā)育將所有組織結(jié)合在一起的人體器官模型。
BG-HFO的成功構(gòu)建，使其他研究人員能夠在細(xì)胞培養(yǎng)中研究造血的跨組織相互作用是如何發(fā)生的。這項(xiàng)研究不僅對闡明健康器官發(fā)育和造血有科學(xué)意義，還可以作為研究病毒、細(xì)菌、癌癥或遺傳缺陷的研究模型，以更好地了解心血管疾病，還適用于藥物測試。
最后，研究團(tuán)隊(duì)表示，這種類器官構(gòu)建原理非常靈活，因此，他們沒有止步于讓心臟類器官產(chǎn)生血液，還在研究新的分化方案，將hPSC轉(zhuǎn)化為構(gòu)成其他器官的細(xì)胞，從而進(jìn)一步開發(fā)多組織類器官模型，用于醫(yī)學(xué)研究。
論文鏈接：
1. https://www.nature.com/articles/s41556-024-01526-4
2. https://www.nature.com/articles/s41587-021-00815-9
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