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Nature子刊:科学家成功分化出人类心脏形成类器官

生物探索

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(图片来源:摄图网)

作者|王木木   来源|生物探索(ID:biodiscover)

人多能干细胞(hPSC)具有自我更新和分化的潜能,在适宜的条件下几乎可以体外扩增和分化为任何成年组织细胞类型,用于人体各器官正常发育和疾病进展的研究,也是细胞疗法最有利的来源。

目前广泛应用于临床研究的hpsc主要有胚胎干细胞(hESCs)和诱导多能干细胞(hiPSCs),研究人员已经为肠、脑、肾等器官建立了早期组织发育的类器官模型,但其在心血管领域的进展有限,针对心脏,尤其是心脏发育形态研究的类似方法仍较为缺乏。

近日,来自德国汉诺威医学院的研究人员在《Nature Biotechnology》上发表了题为Human heart-forming organoids recapitulate early heart and foregut development的研究成果,其开发了一种方法,利用hPSC定向分化生成了复杂且高度结构化的三维心脏形成类器官(HFO),可用于研究心脏的早期发育模式和前肠的发育。

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https://doi.org/10.1038/s41587-021-00815-9

心脏是胚胎中形成的第一个功能器官。它起源于脏壁中胚层的位于胚胎中线两侧的两个心原基区域,与发育中的前肠内胚层紧密靠近相互作用决定着心脏的发育。然后心原基细胞发育融合到由心肌层和心内膜组成的心管,心管与周围的间充质陷入围心腔后,发育出心脏的最外层即心外膜,形成初始的心室结构。

前期研究发现,自由悬浮的hPSC聚集细胞团可经CHIR(WNT途径激活剂)和IWP2(WNT途径抑制剂)处理,在响应经典的WNT信号通路后有效分化为高纯度的心肌细胞。基于此,研究人员开发了一种建立心脏形成类器官模型的方法,其将一定数量的hPSC聚集细胞团嵌入基质胶中,先后使用CHIR17和IWP2诱导处理,通过逐渐分化,14天后获得了稳定的直径约2mm的三维心脏形成类器官(HFO)。

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HFO概括了早期心脏发育的模式

获得HFO后,研究人员对其能否概述早期心脏发育模式进行了验证。Nkx2.5是心脏发育密切相关的转录因子,参与右侧环化、心腔分化等心脏形成过程,其融合绿色荧光基因形成的报告因子NKX2.5–eGFP,可以监控心脏的发育过程。

研究人员观察到,在分化第10天时,NKX2.5–eGFP衍生的HFO即形成NKX2.5-eGFP阴性的内核(IC)和NKX2.5-eGFP阳性的密集心肌层(ML),并进一步被松散的NKX2.5–eGFP阳性和阴性的外层细胞(OL)所覆盖。同时,研究人员也通过免疫荧光染色在HFO中检测到覆盖ML的心肌细胞和ST样细胞以及包围在最外层的组织松散的间充质细胞。此外,CD31的免疫荧光和染色透射电子显微镜(TEM)也检测到血管样结构(VLs)和心内膜样细胞的形成。这均表明,获得的HFO具有早期心脏发育的特征。

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CD31染色显示VLs和心内膜样细胞的形成

在检测HFO中的IC时,研究人员观察到IC还具有一些形态不同的腔,而腔内有砖样上皮细胞。考虑到中胚层衍生物的密切发育起源,其猜测这些腔可能是内胚层。经过SOX17,SOX2和HNF4α等信号标记物的染色,研究人员验证了HFO中也存在着不同的前肠内胚层组织。并进一步通过微阵列分析和单细胞转录组测序确认了HFO中还存在前-后内胚层的独特模式。

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SOX17,SOX2和HNF4α的差异表达揭示了不同的前肠内胚层组织的形成

最后,研究人员构建了NKX2.5-KO hESC(敲除了NKX2.5)分化的HFO,发现其也会形成类似于小鼠中NKX2.5缺失所导致的心肌细胞粘附减少和心肌肥大表型,更加的验证了该HFO在模拟早期心脏发育过程中的精确性。

简而言之,研究人员建立了一种利用hPSC定向分化三维心脏形成类器官的稳定方法,并验证了其可精确模拟早期心脏发育模式,或可广泛应用于体外研究心脏遗传缺陷和前肠的发育。

参考资料:

[1]https://www.nature.com/articles/s41587-021-00815-9

编者按:本文转载自微信公众号:生物探索(ID:biodiscover),作者:王木木


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