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Nat Com:干细胞诱导分化心脏细胞类型制备早期心脏发育模型

标签:药物筛选 微室
摘要 : 近期,加州大学伯克利分校的研究人员,与Gladstone研究所的科学家合作,开发出一种模板,利用干细胞制备跳动的心脏组织,从而创建了一种系统,可以作为早期心脏发育模型,以及让怀孕更安全的一种药物筛选工具。相关研究结果发表在七月十四日的《Nature Communications》杂志。

近期Nature Communications上发表加州大学伯克利分校的研究人员与Gladstone研究所的科学家合作的一篇论文报告说,通过改变人类干细胞所接收的机械和生化信号,它们能够被诱骗形成与微小的、原始的、跳动的心脏相似的结构。这些结构被认为可帮助研究正常和异常的心脏发育,并有可能作为“芯片上的器官”在药物开发中找到应用。这种模板,利用干细胞制备跳动的心脏组织,从而创建了一种系统,可以作为早期心脏发育模型。

Gladstone 心血管病研究所高级研究员、加州大学圣地亚哥分校医学遗传学、细胞和分子药理学教授Kevin Healy说:“我们相信,这是阐明‘在体外培育人类心室的过程’的第一个例子。这项技术可以帮助我们快速筛选出可导致心脏出生缺陷的药物,并告诉我们‘在怀孕期间哪些药物是危险’。”

Kevin Healy、Bruce Conklin及同事将物理图案刻蚀到组织培养皿的底部,然后用它们来在有特定化学性质的介质中生长人类干细胞集落。他们发现,这些干细胞会分化成不同的心脏细胞类型,包括心肌细胞,而不同的细胞则会将它们自己组织成跳动的心脏微室。

筛选药物毒性

为了测试该系统作为药物筛选工具的潜力,研究人员将分化细胞暴露于萨利多胺——一种药物,已知可导致严重的出生缺陷。他们发现,在正常的治疗剂量上,这种药物可导致微室发育异常,包括尺寸减少、肌肉收缩问题和心率降低(与没有暴露于萨利多胺的心脏组织相比)。

Conklin说:“我们选择药物心脏发育毒性筛选,来阐明心脏微室的临床相关应用。每年,有多达280,000名孕妇暴露于有潜在胎儿危险的药物。最常见的出生缺陷包括心脏,产生心脏缺陷的可能性,显著关系着怀孕期间的用药安全性。”

之前,Healy和其他研究人员公开推出一个系统,这个系统将跳动的人心脏细胞放置在一个芯片上,可以用于筛选药物毒性。然而,这种芯片心脏装置采用预分化的心肌细胞,来模仿成人的组织结构。

在这项新的研究中,科学家们模仿人类组织的形成,他们利用成人皮肤组织基因重组的干细胞,形成具有跳动人类心脏细胞的小腔室。然后,将未分化的干细胞,放置到一个圆形图案的表面上,用来调节细胞的分化和生长。

位置

到两周结束后,二维表面环境的细胞,开始呈现一种三维结构,就像一个脉动的微室。此外,根据细胞是沿着周边定位,还是在细胞群的中间,细胞能够进行自组织。

与中间的细胞相比,沿着边缘的细胞经历了更大的机械应力和张力,并似乎更类似于成纤维细胞,这种细胞会形成结缔组织胶原蛋白。相反,中间的细胞发展成心肌细胞。一旦分化开始后,就能观察到这样的空间组织。与周边细胞相比,中间的细胞更快地失去了八聚体结合转录因子4(Oct4)和上皮钙粘蛋白(E-cadherin)的表达,这对于心脏组织的发育,是至关重要的。

加州大学伯克利分校生物工程博士后研究人员Zhen Ma说:“这个空间分布差异性是自然发生的,但我们在体外实验中证明了这个过程。密闭的几何图案提供了生化和生物物理线索,指导心肌分化和跳动的微室形成。”

最终取代动物模型?

这项研究的作者指出,在培养皿和细胞培养板上模拟早期心脏发育,这方面的研究通常涉及到,解剖不同发育阶段的动物来研究器官的形成,以及这一过程如何会出错。这些系统采用的是二维的、而不是三维的细胞培养,所以不能预测药物会怎样影响胚胎心脏的正常三维发育。

Healy说:“事实上,我们在这项研究中使用患者来源的人类多能干细胞,代表了这一领域的一个重大变革。之前的心脏微组织研究,主要使用获得的大鼠心肌细胞,这是人类疾病一个不太完美的模型。”

研究人员指出,虽然这项研究主要集中在心脏组织,但是我们可以利用这项技术,来研究其他器官发育,这有很大的潜力。

 

Healy说:“我们的研究重点一直都是早期心脏发育,但是人类多能干细胞图案组织的基本原则,和随后对它们进行区分,可以很容易地扩展到各种各样的组织中,以了解胚胎发育和组织形态的发生。”

原文标题:Self-organizing human cardiac microchambers mediated by geometric confinement

原文摘要:

Tissue morphogenesis and organ formation are the consequences of biochemical and biophysical cues that lead to cellular spatial patterning in development. To model such events in vitro, we use PEG-patterned substrates to geometrically confine human pluripotent stem cell colonies and spatially present mechanical stress. Modulation of the WNT/β-catenin pathway promotes spatial patterning via geometric confinement of the cell condensation process during epithelial–mesenchymal transition, forcing cells at the perimeter to express an OCT4+ annulus, which is coincident with a region of higher cell density and E-cadherin expression. The biochemical and biophysical cues synergistically induce self-organizing lineage specification and creation of a beating human cardiac microchamber confined by the pattern geometry. These highly defined human cardiac microchambers can be used to study aspects of embryonic spatial patterning, early cardiac development and drug-induced developmental toxicity.

来源: Nature Communications 浏览次数:9

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