干細(xì)胞制造人工心臟：與心臟同尺寸可跳動(dòng)

近日，據(jù)國外媒體報(bào)道，研究人員用干細(xì)胞制造出一個(gè)跳動(dòng)的小心臟，稱這項(xiàng)技術(shù)可能給醫(yī)學(xué)帶來一場革命。這種新型心臟將用于藥物測試，讓研究人員有機(jī)會(huì)深入了解心臟的發(fā)育過程。這個(gè)小心臟有微室，可像一個(gè)全尺寸心臟一樣“跳動(dòng)”。

這種新型心臟將用于藥物測試，讓研究人員有機(jī)會(huì)深入了解心臟的發(fā)育過程。這個(gè)小心臟有微室，可像一個(gè)全尺寸心臟一樣跳動(dòng)。它的中心(紅色)是心肌細(xì)胞，周邊(綠色環(huán))是一類結(jié)締組織。這些組織依附在表面，將微室固定在培養(yǎng)皿上。

這項(xiàng)研究有望使科學(xué)家在藥物如何影響新生兒的研究上獲得新突破。

美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的研究人員同舊金山格萊斯頓研究所的科學(xué)家密切合作，培養(yǎng)出這個(gè)人工心臟。他們表示：“培養(yǎng)跳動(dòng)心臟組織的模板產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)，它可用于早期心臟發(fā)育的一個(gè)模型和讓懷孕更安全的一個(gè)藥物篩選工具。”

加利福尼亞大學(xué)伯克利分校生物工程學(xué)教授凱文-希利說：“我們認(rèn)為，這是第一個(gè)體外說明人類心室發(fā)育過程的實(shí)例。這項(xiàng)技術(shù)可能幫我們快速篩選出可能產(chǎn)生心臟先天缺陷的藥物，指導(dǎo)我們確認(rèn)哪些藥物對(duì)孕婦具有危險(xiǎn)。”

希利和格萊斯頓心血管病研究所資深研究員同時(shí)又是加利福尼亞大學(xué)舊金山分校醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)、細(xì)胞和分子藥理學(xué)教授的布魯斯-康克林博士聯(lián)合開展了這項(xiàng)研究。這些研究人員用生物化學(xué)和生物物理學(xué)線索提示干細(xì)胞分化和自我組織成微室等微米級(jí)心臟組織。

為檢測將該系統(tǒng)用作藥物篩選工具的可能性，他們將這些分化細(xì)胞暴露在沙利度胺中。沙利度胺是一種產(chǎn)生嚴(yán)重出生缺陷的藥物。這些研究人員發(fā)現(xiàn)，在正常的治療劑量下，沙利度胺使微室出現(xiàn)異常發(fā)育，引發(fā)許多問題，例如微室變小和肌肉收縮。另外，相比沒有暴露在沙利度胺中的心臟組織，暴露其中的微室心率降低。

康克林說：“每年有28萬名孕婦暴露在可能造成胎兒危險(xiǎn)的藥物中。最經(jīng)常報(bào)告的出生缺陷和心臟有關(guān)。產(chǎn)生心臟缺陷的可能性最受關(guān)注，因?yàn)樗鼪Q定了孕期的藥物安全。”這些研究人員指出，雖然這項(xiàng)研究關(guān)注于心臟組織，但用這項(xiàng)技術(shù)研究其他器官發(fā)育的可能性也很大。

希利說：“我們的研究主要集中在早期心臟發(fā)育上，但人類多功能干細(xì)胞發(fā)展格局的基本原則和隨后出現(xiàn)的細(xì)胞分化都可能產(chǎn)生大量不同的組織，為我們了解胚胎發(fā)生以及組織形態(tài)發(fā)生提供重要線索。”

希利和加利福尼亞大學(xué)伯克利分校其他研究人員首次對(duì)外公布了一個(gè)跳動(dòng)人類心臟細(xì)胞的系統(tǒng)，它可能用于篩選藥物毒性。不到4個(gè)月后，希利又獲得這一具有里程碑意義的重大發(fā)現(xiàn)。在這項(xiàng)新研究中，科學(xué)家先用成年人皮膚組織進(jìn)行了干細(xì)胞基因重組，模擬了人類組織的形成，然后培養(yǎng)出具有跳動(dòng)人類心臟細(xì)胞的小室。

康克林在格拉斯頓的實(shí)驗(yàn)室為這項(xiàng)研究提供了這些人類誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞。該實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)一個(gè)獨(dú)立的非營利性生命科學(xué)研究機(jī)構(gòu)，和加利福尼亞大學(xué)舊金山分校有合作關(guān)系。

這些研究人員將未分化的干細(xì)胞放到一個(gè)有循環(huán)圖案的表面上。這個(gè)表面有助于物理上調(diào)節(jié)細(xì)胞分化和生長。兩周結(jié)束時(shí)，這些開始于一個(gè)二維表面環(huán)境的細(xì)胞以脈動(dòng)微室的形式呈現(xiàn)出一個(gè)3D結(jié)構(gòu)。

另外，這些細(xì)胞進(jìn)行自我組織。這取決于它們放在表面周邊還是中央。相比表面中央的細(xì)胞，邊緣細(xì)胞經(jīng)歷了更大的機(jī)械壓力和張力，好像更像形成結(jié)締組織膠原蛋白的纖維母細(xì)胞。相比之下，中央細(xì)胞發(fā)育成心肌細(xì)胞。

研究報(bào)告主要作者同時(shí)又是加利福尼亞大學(xué)伯克利分校生物工程學(xué)博士后研究生的馬珍(Zhen Ma音譯)說：“這種空間分化自然出現(xiàn)在生物學(xué)中，但我們?cè)隗w外演示了這一過程。這種有限的幾何圖案為引導(dǎo)心臟分化和一個(gè)跳動(dòng)微室的形成提供了生物化學(xué)和生物物理學(xué)線索。”

開展這項(xiàng)新研究的科學(xué)家表示，制造早期心臟發(fā)育的模型很難在培養(yǎng)皿和組織培養(yǎng)板上完成。該研究領(lǐng)域通常和不同發(fā)育階段動(dòng)物的解剖有關(guān)，目的是弄清楚器官的形成以及發(fā)育過程出錯(cuò)的原因。

希利指出：“我們?cè)谘芯恐惺褂昧嗽醋圆∪说娜祟惗喙δ芨杉?xì)胞，這意味著該研究領(lǐng)域的巨大變化。以前有關(guān)心臟微室的研究主要使用老鼠的心肌細(xì)胞。但對(duì)人類疾病來說，這是一個(gè)存在缺陷的模型。”