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第41卷第12期
·1838 · 南 京 医 科 大 学 学 报 2021年12月
内器官相似的结构和功能,可以在 3D 培养系统中, 基于心肌细胞的环、带、片和补片组织 [13-16] ,这些心
从胚胎干细胞、人诱导多能干细胞(human induced 肌组织有着近似于成人心肌的各种结构和收缩特
pluripotent stem cells,hiPSC)、成体干细胞甚至肿瘤 性。Shadrin等 [17] 将hiPSC细胞诱导生成的心肌细胞
细胞随机或者定向分化为不同细胞类型并组装形 与水凝胶相结合,置于模具中,生成了4 cm×4 cm的
成 [5-6] 。到目前为止,已经成功地建立各种器官的健 心脏补片,该心脏补片具有与成人心肌相似的电和
康及癌症类器官模型,如肺、胃、肠、肝、胰腺、肾、前 机械特性。将该心脏补片植入大鼠心脏时,其可以
列腺和脑 [7-8] 。类器官显示出基础研究和临床应用 与大鼠心脏牢固结合,维持植入前的电生理功能,
的巨大潜力。首先,类器官可以用来模拟和研究器 并且不增加心律失常的发生率。Kumatov等 [18] 通过
官发育及相关疾病。其次,在药物实验及疾病治疗 调节细胞粘附水凝胶的硬度,促进 EB 中血管化心
方面也有着广泛的应用空间。虽然在各种器官中 肌样组织的形成,并形成收缩的心血管器官样结
已经开发了相应的类器官,但是心脏类器官领域的 构。这些生成的心肌组织具有修复心脏,治疗心梗
进展明显滞后,部分原因是早期心脏发育的复杂性。 的良好应用前景,但是还不能用于研究心脏作为一
最近,一系列详细描述心脏类器官构建与其应用的文 个泵的压力和体积之间的基本关系,也不能用来研
献发表,显示了心脏类器官领域的快速发展。 究心脏发育的机制,同时在作为心脏的疾病模型方
本文描述了心脏类器官的构建方法及其潜在 面具有一定的局限性。
的应用,包括疾病建模、药物实验、再生医学和治 心室的形成是心脏发育的关键步骤,一些研究
疗,同时对其未来的发展进行了展望。 小组通过几何约束、支架、模具等组织工程技术生
成了带有腔室的体外心肌模型,这种腔室的出现形
1 心脏类器官构建的研究进展
成了真正意义上的心脏类器官,它模拟了心脏的心
类器官保留了细胞间的接触,从而促成了它们 室形成的过程。Lee等 [19] 将凝胶基质与细胞悬液相
的相互作用和自我聚集,是一种简化后的微型器 互混和,置于硅胶球囊模具中,生成了具有模拟心
官,可以模拟器官体内的微环境、结构和原始器官 室形成的腔室心脏类器官。由此产生的心室自发
[9]
的多谱系分化 。早期对于心脏类器官的探索开发 搏动,将主动壁张力转化为心室压力,表现出自然
中,常利用人类或小鼠的胚胎干细胞、hiPSC 细胞 心脏生理学和心室力学的标志性特征,包括残余应
等,通过悬浮培养成胚胎小体(embryoid body,EB), 力、机电耦合、正冲程功。这种心脏类器官为心脏
模拟人类胚胎的早期分化过程,但是其研究重点不 泵功能和心脏修复机制的高通量体外研究提供了
在于胚胎发育形成心脏的机制,而是将干细胞诱导 一个较好的模型。Ma等 [20] 使用聚乙二醇作为底物,
分化生成心肌细胞。Chen等 [10] 开发了hiPSC细胞聚 通过将 hiPSC 细胞几何限制在微模板中,产生了周
集悬浮培养系统,通过采用添加小分子物质调节 边包含肌成纤维细胞而中心包含心肌细胞腔室心脏
[21]
WNT信号通路及悬浮培养细胞的方法来引导hiPSC 类器官。Andersen等 利用小鼠胚胎干细胞衍生出
细胞向心肌细胞分化,可以产生纯度90%以上的心 具有两个心脏区域的“心前类器官”,这两个心脏区域
肌细胞。这些体外生产心肌细胞的方法为心脏类 的细胞与体内胚胎相应发育阶段的对应细胞有高度
器官的研究奠定了基础。hiPSC细胞的出现极大地 相似性。Hoang等 将生物材料细胞图形化技术与
[22]
促进了心脏类器官的研究。通过从患者身上获得 干细胞类器官工程技术相结合,通过引导2D hiPSC
血液、皮肤及尿液样本,对其体细胞进行重新编程,以 细胞集落形成3D心脏微室,该心脏微室经过光刻微
[5]
获得hiPSC细胞,随后将其用于生成类器官 。这种 加工,可以作为发现新药试验的体外模型。这些微室
方法生成的类器官可以避免胚胎干细胞所带来的 近似于早期发育的心脏,具有独特的空间组织。
伦理问题,同时可以获得患者特异性疾病表型。随 1.2 自组织心脏类器官
着对心脏类器官的进一步研究探索,逐渐出现通过 心脏发生是胚胎形成中心脏发育的过程,涉及
组织工程技术构建的心脏类器官和自组织的心脏 不同细胞类型的分化,包括称为心肌细胞的心房和
类器官,以及3D打印的人工心脏 [11-12] 。 心室肌细胞,构成传导组织的特定肌细胞,如浦肯
1.1 组织工程方法构建心脏类器官 野纤维和平滑肌细胞,以及非肌细胞(内皮细胞和
通过将诱导生成的心肌细胞与水凝胶或细胞 神经元细胞)。心脏发生的过程还包括形成成熟心
外基质等生物材料结合,研究者们可以生成一系列 脏所需的形态变化,包括心管的形成、心管环化以