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用干細胞培育出“迷你”心臟組織

日期:2016-04-22 08:50:06

 最近,英國Gladstone研究所的科學家們,發(fā)明了一種新的方法,用干細胞培育出三維的人體心臟組織。這種組織可用于模擬疾病和測試藥物,從而為治療心臟病的精密醫(yī)學方法,開辟了新的途徑。雖然目前有用心臟細胞培育三維組織的技術(shù),但是,這種新方法大大減少了所需的細胞數(shù)量,從而使它成為一種更簡單、更便宜和更高效的系統(tǒng)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在最近的Nature子刊《Scientific Reports》。Gladstone研究院高級研究員Bruce R Conklin和加州大學伯克利分校的Kevin E. Healy是本文共同通訊作者。

 

本文第一作者、Conklin實驗室的博士后Nathaniel Huebsch指出:“我們用一種很容易被復制的方法,培育出了生物工程的微尺度心臟組織,這將使干細胞生物學和藥物產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的科學家能夠在適當?shù)那闆r下研究心臟細胞。反過來,這將促使我們開發(fā)治療心臟病的新方法。”

 

用患者皮膚細胞來源的誘導多能干細胞iPSCs)制備心臟細胞,可使科學家能夠研究和測試病人特定疾病的藥物。然而,由iPSCs制成的細胞相對不成熟,相比較成人體內(nèi)的細胞,它更類似于胚胎中的心臟細胞。同樣地,這些細胞用于藥物測試是不夠的,因為它們不能正確預(yù)測一種藥物如何影響成人心臟細胞。此外,用iPSCs制備心臟細胞具有挑戰(zhàn)性,所以大量制備是很困難的。因此,需要的細胞越少越好。

 

迷你心肌組織可解決這兩個問題。迫使細胞組織并拉伸成三維組織,可幫助刺激發(fā)育,并催使它們像更成熟的細胞,可以更好地預(yù)測一種藥物如何影響成人心臟細胞。此外,與其他組織工程技術(shù)相比,這種新方法制備組織所需要的細胞少了一千倍。使用更少的細胞,可讓科學家們用相同數(shù)量的資源,做更多的試驗。

 

研究人員與加州大學伯克利分校的Kevin Healy博士合作,首先用iPSCs制備了心肌細胞和結(jié)締組織細胞。然后,他們將這些細胞放入一個特殊的培養(yǎng)皿中,其形狀像一個小的狗骨頭。這種獨特的形狀,可促使細胞自組織塑造成細長的肌肉纖維。幾天之內(nèi),微型組織在結(jié)構(gòu)和功能上都類似于心肌。例如,當研究人員測試組織如何響應(yīng)某些藥物時——可損害胎兒心臟細胞而不是成人心臟細胞,這些迷你心肌組織表現(xiàn)得更像成人心臟組織。

 

本文資深作者、Gladstone研究院高級研究員Bruce Conklin表示:“這種技術(shù)的優(yōu)點在于,它非常容易和穩(wěn)健,但它仍然能讓我們培育出和正常組織一樣功能的三維微型組織。我們的研究顯示,你可以用一個簡單的模板,利用這些細胞的固有特性進行自組織,制備這些復雜的組織。我們認為,微型心肌將提供一種優(yōu)越的資源用于研究,以及開發(fā)心臟病療法。”

 

早在2013年,美國科學家就用人類干細胞培育出能夠跳動的老鼠心臟,為培育需要移植的器官帶來新的曙光(科學家用干細胞培育出跳動的心臟)。20131119日在生物醫(yī)學雜志PNAS上發(fā)表的一項基礎(chǔ)研究,鑒定了與心臟功能緊密相關(guān)的理想結(jié)構(gòu)和細胞比率。研究者利用組織收縮的計算模型和結(jié)合微加工約束的總成力學,設(shè)計了人多能干細胞(hPSC)來源的均衡的、功能性的心臟微組織。這項發(fā)現(xiàn)也指引研究者首次構(gòu)建了第一例與心律不齊有關(guān)的三維循環(huán)組織活體模型。

 

201410月,京都大學山下潤教授率領(lǐng)的研究小組日前宣布,他們利用人類誘導多功能干細胞(iPS細胞),首次成功培育出了由心肌和血管等數(shù)種細胞組成的心臟組織細胞層。這有望用于對心臟病患者進行再生醫(yī)療(iPS細胞首次育成心臟組織細胞層)。去年7月,加州大學伯克利分校的研究人員,與Gladstone研究所的科學家合作,開發(fā)出一種模板,利用干細胞制備跳動的心臟組織,從而創(chuàng)建了一種系統(tǒng),可以作為早期心臟發(fā)育模型,以及讓懷孕更安全的一種藥物篩選工具。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《Nature Communications》雜志。

 

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