皮肤干细胞培育出人类“迷你”心脏,助力筛查致胎儿罹患心脏病药物

日期: 2015年08月19日


    

美国科学家对从人体皮肤提取的多能干细胞进行遗传重组,培育出了一颗拥有人的心脏细胞的微心室。这颗“小心脏”能像完整大小的心脏那样跳动。研究人员表示,这种“迷你”器官可替代动物实验,筛查新药或测试药物对婴儿的影响,而且还将帮助科学家们揭示更多人体心脏形成和发育的秘密。

该研究的合作者、加州大学伯克利分校生物工程学教授凯文·希利7月15日接受英国每日邮报采访时说:“我们相信,这是首个在试管中培育出的人体微心室。这一技术或能帮助我们快速筛查出可能导致胎儿罹患先天性心脏病的药物。”


他与加州大学旧金山分校格拉德斯通心血管疾病研究所研究员布鲁斯·康克林使用生物化学和生物物理学方法,促使干细胞分化并自我组织成这个包括微心室在内的微型心脏组织。相关研究发表在最新一期的《自然·通讯》杂志上。


为了测试这套系统作为药物筛查工具的潜力,研究人员让正在分化的细胞同可能会导致严重的先天缺陷的药物利度胺(thalidomide)接触。他们发现,在正常的治疗剂量下,这一药物会导致微心室的发育出现反常,包括大小不断萎缩、肌肉收缩和心律降低等问题。


康克林说:“每年约有28万名孕妇接触对胎儿产生潜在危险的药物,其中,最常见的先天缺陷就包括心脏病,最新系统或许能大幅降低孕妇接触有毒药物的几率。而且,尽管最新研究主要强调的是心脏组织,但新技术有潜力培育出其他身体器官。”


此前,科学家们主要使用实验鼠的心肌细胞来对心脏微组织进行研究,但这并非理想的人类疾病研究模型。由人的干细胞发育而成的“迷你”心脏彻底改变了这一做法,未来将可以替代动物实验。


凤凰科技讯 北京时间7月17日消息,据英国每日邮报报道, 研究人员使用干细胞创造了一个小型的搏动心脏——并表示它或可以革命化医药。这颗新心脏使得新型药物可以被测试,并为研究人员提供了心脏是如何发育的新见解。这个小心脏甚至有微室,能够像正常大小的心脏一样“搏动”。


干细胞培育搏动的人工心脏组织


美国加州大学伯克利分校的研究人员与美国格拉德斯通研究院的科学家们合作,他们表示利用干细胞培育搏动的心脏组织模板创造了一个新系统,后者可以作为早期心脏发育的模板,以及药物筛查的工具使得怀孕更加安全。格拉德斯通研究院是加州大学旧金山分校附属的一个独立的非营利生命科学研究组织。


“我们相信这是第一个展示在试管里培育人类心脏心室过程的例子,”研究合作高级作者、美国加州大学伯克利分校生物工程系教授凯文•希利(Kevin Healy)这样说道,另一名高级作者是格拉德斯通心血管病研究所高级调查员、美国加州大学旧金山分校医学遗传学和细胞和分子药理学教授布鲁斯•康克林(Bruce Conklin) 。“这项技术可以帮助我们快速筛选可能产生心脏先天缺陷的药物,并指导做出哪些药物可能在孕期非常危险的决策。”


产生心脏缺陷的潜在可能性是决定孕期药物安全的最重要的问题


在这项发表在期刊《自然·通讯》上的研究里,研究人员使用了生物化学和生物物理学线索来促进干细胞分化并自我组织形成微米大小的心脏组织,包括微室。为了测试这个系统作为药物筛查工具的潜力,研究人员将不同的细胞暴露在萨力多胺(一种安眠药,镇静剂)下,这种药物容易引起严重的先天缺陷。


他们发现在治疗剂量下,这种药物会引发微室的异常发展,包括体积减小、肌肉收缩问题和较低的心率。“我们选择药物心脏发育毒性筛选来论证心脏微室的临床相关应用。” 康克林说道。“每一年,多达280000名怀孕妇女都暴露在具有潜在胎儿风险的药物下。最常见的先天缺陷涉及心脏,产生心脏缺陷的潜在可能性是决定孕期药物安全的最重要的问题。”


研究人员表示虽然这项研究关注于心脏组织,但将这项技术应用于其它器官发育具有非常大的潜力。“我们的关注点在于早期心脏发育,但人类多能干细胞的样式的基本原则,以及随后分化是可以扩展到更大范围的组织类型里,用于理解胚胎形成和组织形态发生。” 希利说道。


这一里程碑发生在希利和其它伯克利研究人员公开发布了一个芯片上的搏动人体心脏细胞系统后四个月,这个系统可以用于检查药物毒性。在这项新研究里,科学家们模仿了人类组织形成,首先使用了从成年人皮肤组织里提取的基因重新编码的干细胞,形成能够搏动的人类心脏细胞的小室。康克林的实验室提供了研究所用的这些人体诱发多能干细胞。


这些未分化的干细胞随后被放置在一个圆形表面,后者调节了细胞分化和发展。在两周后,生长在二维表面环境的细胞开始形成三维结构,成为一个搏动的微室。此外,这些细胞会根据是否位于细胞群的周界还是中央而自我组织。与中央的细胞相比,边界的细胞具有更大的机械压力和张力,因此看起来更像纤维母细胞,后者形成了结缔组织的胶原蛋白。而相比之下中央细胞形成了心脏肌肉细胞。


“在生物学里这种空间分化是自然发生的,但我们首次在试管里实现了,”研究首席作者、美国加州大学伯克利分校生物工程博士后研究员马镇(Zhen Ma)这样说道。“这种受限的几何学样式提供了生物化学和生物物理学线索,直接引导了心脏分化和一个搏动微室的形成。”


在有盖培养皿和细胞培养板里建模早期心脏发育是非常困难的。这一研究领域一般涉及在不同的发育阶段对动物进行解剖,从而研究器官的形成以及这个过程可能会出什么差错。“我们在研究中使用了从病人身上采集的多能干细胞这一事实代表了这个领域的突变。” 希利说道。“之前的心脏微组织研究主要是使用老鼠心肌细胞,然而它是人类疾病的一个并不完美的模型。”


备注:原文转自科技日报,如有侵权请联系删除。

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