【Cell子刊】类器官培育的香饽饽——利用获诺贝尔奖的诱导多能干细胞iPSC培育出了一种特殊的心脏类器官

类器官属于三维（3D）细胞培养物，包含其代表器官的一些关键特性。此类体外培养系统包括一个自我更新干细胞群，可分化为多个器官器官特异性的细胞类型，与对应的器官拥有类似的空间组织并能够重现对应器官的部分功能，从而提供一个高度生理相关系统。

iPSC诱导性多能干细胞，全称induced pluripotent stem cells，它们在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都与胚胎干细胞相似，同时又避开了胚胎干细胞的伦理问题，在疾病模拟、药物筛选和细胞治疗中有着巨大的应用前景，被人们视为细胞疗法的新希望。iPSC来源十分广泛，同时又具有早期胚胎干细胞的发育能力，在体外培养时通过构建合适的环境，模拟体内发育过程等。基于这些显著的优势，iPSC已成为培育类器官重要的细胞来源。

2012年，诺贝尔生理学或医学奖授予了英国科学家John B. Gurdon先生和日本科学家Shinya Yamanaka博士，表彰他们将成熟细胞重新编程，转化为可以分化为多种细胞类型的诱导多能干细胞 (iPSC)方面的突破性研究。自从在2006年被发现以来，iPSC被誉为能够为再生性医药带来革命的发现。

2012年12月6日，John Gurdon和Shinya Yamanaka接受Nobelprize.org采访

在新人类生命的最初阶段，看起来相同的细胞开始分裂成不同的类型，最终生长成各种各样的组织和器官。在此过程中，相邻组织交换化学信号，促进彼此发展的不同步骤。但是这种串扰是复杂的、动态的，因此难以研究。

现在，Gladstone研究所的科学家们已经发现如何培养一种新型的类器官——一种三维的器官样细胞簇——模仿肠道和心脏组织如何从干细胞中协同产生。12月2日，研究人员将这项研究发表在《Cell Stem Cell》上，发表了一篇题为“Co-emergence of cardiac and gut tissues promotes cardiomyocyte maturation within human iPSC-derived organoids”的文章：

这种类器官可以作为实验室研究组织间信号传导的新工具，对于健康的人类发展至关重要。

Gladstone高级研究员Todd McDevitt博士是这项新研究的资深作者，他说道：“我们的研究突出了类器官技术的有希望的新维度，可以提高我们对发育中的器官和组织如何相互合作和指导的理解。”

一个偶然的新器官

McDevitt的实验室一直在努力设计新的培育类器官的方法，这是一种微型多细胞结构，可以在培养皿中复制心脏，大脑，肺和其他器官的特征和功能。

他的团队从人类诱导的多能干细胞(iPSC)中创造出心脏类器官。它们通过在各种营养物质和其他天然存在的物质混合物中生长，将这些细胞诱导成心脏细胞。

他们最初并没有着手创造一种新的类器官。然而，令他们惊讶的是，他们发现在许多情况下，产生的类器官不仅含有心脏细胞，还含有肠细胞。

McDevitt实验室博士后学者兼新研究的第一作者Ana Silva博士说：“我们很感兴趣，因为类器官通常发育成单一类型的组织，例如仅心脏组织。在这里，我们的心脏和肠道组织都以可控的方式生长在一起，就像它们在正常胚胎中一样。”

这些类器官提供了一种有前途的新方法来检查发育中的组织之间的串扰，到目前为止，这依赖于分别生长单个组织类器官，然后尝试将它们组合。

描绘新器官的全貌

研究人员发现，与传统的心脏类器官相比，新的类器官带来了更复杂和成熟的心脏结构，包括一些类似更成熟的血管。新类器官中心脏细胞的类型和比例及其电特性与真实胎儿心脏高度相似。相比之下，不含肠组织的常规类器官中的细胞仍然停留在转化为心脏细胞的更早阶段。

McDevitt同时也是加州大学旧金山分校的生物工程和治疗科学教授，他说：“一旦明确肠道组织的存在有助于心脏组织的成熟，我们就意识到我们已经达到了一些新的和特殊的东西。”

科学家们还表明，新的类器官中的肠道组织成熟为各种可识别的结构和细胞类型，特别是小肠。此外，新类器官中的肠和心脏细胞释放已知参与心脏发育期间两种组织之间信号传导的化学物质。

Silva说：“这是一个美丽、动态的心脏发育模型。我们的研究结果提出了一种在更现实的背景下进行这项研究的方法，在这种情况下，肠道和心脏组织都从相同的起始材料一起发展。”

稳健的研究系统

研究人员已经能够将新的类器官保持在培养皿中存活超过1年，这对于实验室中生长的任何东西来说都是非常长的时间，特别是一个很大的3D细胞聚集体。这种耐久性表明，可以培育类似的类器官，作为长期实验室研究的稳健系统。虽然类器官可能无法完美捕捉真实心脏和肠道发育的每一部分，但它们可以帮助加深对这一合作过程的理解。

除了为健康的人类发展提供新的线索之外，类器官还可以帮助阐明该过程如何出错。例如，它们对于研究已知会影响心脏和肠道发育的先天性疾病（例如慢性心房和肠道心律失常）的研究可能是有价值的。

需要进一步研究以改进可靠地培养这些类器官的方法，以便它们可以充分发挥其潜力。在未来，研究人员理论上可以开发其他类似的类器官，涉及不同的组织对，如心脏和肺，或肺和肾。

McDevitt说：“发育中的组织之间的沟通可能还没有得到广泛的认可或重视。我们现在可以以前所未有的方式探索这一基本过程。”（转化医学网360zhyx.com）

参考资料：

https://medicalxpress.com/news/2021-12-guts-heart.html

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。