揭示心脏的秘密——科学家在培养皿中创造出微型心脏

慕尼黑工业大学 (TUM) 的研究人员成功刺激干细胞模仿人类心脏的生长过程，从而产生“迷你心脏”或类器官。 这一突破将使人们更深入地了解心脏发育的初始阶段，并支持心脏相关疾病的研究。

人类的心脏在受孕后三周左右开始形成，这通常是许多女性甚至没有意识到自己怀孕的时期。 这个因素导致我们对早期心脏形成的复杂细节的了解相对有限。 从动物研究中获得的见解并不完全适用于人类，因此慕尼黑工业大学团队创建的类器官对科学界非常重要。

心脏器官（心外膜）发育的不同阶段。 图片来源：亚历山德拉·莫雷蒂/汤姆

一个由 35,000 个细胞组成的球

该团队与心血管疾病再生医学教授亚历山德拉·莫雷蒂（Alessandra Moretti）合作，开发出一种利用多能干细胞制造“迷你心脏”的方法。 大约 35,000 个细胞在离心机中旋转成球。 几周后，根据既定方案将不同的信号分子添加到细胞培养物中。 “通过这种方式，我们模仿了体内控制心脏发育程序的信号通路，”亚历山德拉·莫雷蒂解释道。 该小组现已在期刊上发表了其研究成果 自然生物科技。

第一次“心脏病发作”。

所得细胞器的直径约为半毫米。 尽管它们不泵血，但它们可以受到电刺激并且能够像人类心脏的心室一样收缩。 莫雷蒂教授和她的团队是世界上第一批成功创建包含心肌细胞（心肌）和心壁外层（心外膜）细胞的类器官的研究人员。 在心脏类器官的年轻历史中（首次描述于 2021 年），研究人员此前仅用心肌细胞和心壁内层（心内膜）细胞制作类器官。

“为了了解心脏是如何形成的，心外膜细胞至关重要，”该研究的第一作者安娜·迈耶博士说。 心脏中的其他类型的细胞，例如连接组织和血管中的细胞，都是由这些细胞形成的。 心外膜在心室的形成中也发挥着非常重要的作用。”该团队将新的细胞器恰当地命名为“心外膜”。

亚历山德拉·莫雷蒂教授。 图片来源：Daniel DeLange/TUM

发现了一种新的细胞类型

除了生产细胞器的方法外，该团队还报告了第一个新发现。 通过分析单个细胞，他们确定最近在小鼠体内发现的一种前体细胞是在类器官发育的第七天形成的。 心外膜由这些细胞组成。 “我们假设这些细胞也存在于人体内——哪怕只存在几天，”莫雷蒂教授说。

这些见解也可能为为什么胎儿心脏能够自我修复提供线索，而成年人的心脏几乎完全不具备这种能力。 这些知识可以帮助找到治疗心脏病和其他疾病的新疗法。

定制会员资格的制作

研究小组还表明，类器官可用于研究个体患者的疾病。 研究人员利用来自努南综合征患者的多能干细胞，在培养皿中创建了模拟该病症特征的类器官。 在接下来的几个月里，该团队计划使用类似的个人类器官来研究其他先天性心脏缺陷。

由于细胞器具有模拟心脏病的潜力，未来可以直接在细胞器上进行药物测试。 “可以想象，此类测试可以减少开发药物时对动物实验的需求，”亚历山德拉·莫雷蒂说。

有机研究是慕尼黑工业大学的一个主要研究领域

研究人员注册了一项关于心脏细胞器形成的国际专利。 Epicardioid 模型是慕尼黑工业大学的几个有机项目之一。 在类器官系统中心，来自不同部门和主席的工作组将进行合作。 他们将利用最新的成像和细胞分析技术，对胰腺、大脑和心脏类器官进行跨学科研究，以研究器官发生、癌症和神经退行性疾病，并利用人体 3D 系统在医学领域取得进展。

参考文献：“心外膜样单细胞基因组学揭示了人类心外膜生物学在心脏发育和疾病中的原理”作者：Anna B. Meyer、Dorota Zawada、Maria Teresa de Angelis、Laura D. Martins、Gianluca Santamaria、Sophie Zengerli、Monica Novak-Imalic， Jessica Kornherr、张芳芳、田青海、Cordola M. Wolf、Christian Kubat、Makoto Sahara、Peter Lieb、Fabian Gehes、Julian Janior、Alexander Goedel、Carl Ludwig Lugowitz、Tatjana Dorn 和 Alessandra Moretti 2023 年 4 月 3 日， 自然生物科技。
DOI：10.1038/s41587-023-01718-7

该研究由欧洲研究委员会资助。