Page 132 - 南京医科大学学报自然科学版
P. 132

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
   127   128   129   130   131   132   133   134   135   136   137