初期尝试：3D 类器官

此前，在体外培养心脏类器官的过程中，研究人员发现，心肌细胞往往以团块形式存在，而不会形成体内常见的组织结构，因此无法很好地构建体外模型进行心脏疾病的研究。直到 3D 类器官技术出现后，人们才成功在体外构建出心脏类器官。

所谓 3D 类器官技术，就好比用砖和钢筋水泥盖房子，先用组织工程技术建造一个支架，然后让心肌细胞来填充，形成所谓的心脏类器官模型。2020 年 9 月 18 日，来自东京医科牙科大学的研究人员，利用 3D 类器官技术，使用小鼠胚胎干细胞构建出了首个类似于正在发育的心脏三维功能性类器官，该类器官与发育中的心脏非常相似。构建成功的心脏类器官包括完整的四个腔室以及传导系统的细胞。同时，这种心脏类器官具有接近体内对应物的功能特性。全球首个人体心脏类器官模型虽然，以组织工程技术为基础的 3D 类器官技术可以帮助人类建立心脏类器官模型，但是由于类器官模型在搭建过程中不是细胞自发组织形成的，这种类器官在器官发育和药物筛选方面，用处十分有限。

小心脏，大用途

此次奥地利科学院分子生物技术研究所的研究人员们称，他们在实验室里培养出首个能带有明显跳动的心室的心脏。而这种微型器官或类器官，能模仿25天大的人类胚胎的心脏工作，有助于解开许多谜团，包括为什么婴儿心脏病发作后其心脏不会留下疤痕。为了创造出能像胚胎中细胞一样自组织的类心脏器官，这项新研究的作者们对具有分化成任何组织能力的人类多能干细胞进行了编程，使其分化成各种类型的心脏细胞。研究团队团队以特定的顺序激活所有参与胚胎心脏发育的6个已知信号通路，诱导干细胞自我组织。

随着细胞分化，它们开始形成不同的层——类似心脏壁的结构。发育1周后，类器官在结构上相当于25天胚胎的心脏。在这个阶段，心脏只有一个心室，这将成为成熟心脏的左心室。这个人类的“迷你心脏”比芝麻籽还小，却能以规律的节奏跳动，其直径约为2毫米，包括这一发育阶段常见的主要细胞类型：心肌细胞、上皮细胞、成纤维细胞和心外膜。它们也有一个清晰的心室，每分钟跳动60到100次，这与相同年龄的胚胎心脏的速率相同。

不得不说，组织工程学对于生物研究的贡献自然是非常突出的。但是在自然过程中，器官的生成并不是人为控制的，而是细胞自发组织形成的。在这一过程中，各个细胞之间会彼此相互作用，随着器官结构的出现而生长移动并改变形状。换句话说，细胞自组织形成器官，就好比大自然让雪花晶体的自动形成，鸟儿自动成群结队的一起迁徙，很难通过人为工程设计来实现。为了在体外模拟正常的心脏发育过程，需要通过特定的顺序激活目前已知的参与胚胎心脏发育的 6 个信号通路来诱使人类多能干细胞自我增殖分化。

随着细胞分化的特定模式被激活，这些细胞会形成单独的细胞层，类似于人类的心脏壁结构。经过一周的发展后，这些细胞会自发组织形成一个 3D 结构的类器官，该类器官具有一个封闭的空腔，类似人类心脏自发生长的轨迹。同时，研究人员发现，这个自发形成的空腔结构可以自主地有节奏地收缩和舒张，从而挤压腔内的液体。随后，研究小组还测试了这一自组织形成的心脏类器官对组织损伤的反应。他们用一根冷冻过的钢棒冻结了部分心脏类器官的细胞，来模拟心脏受伤后的细胞死亡场景。结果研究人员发现，心脏类器官中的心脏成纤维细胞会立刻向损伤部位迁移，并合成一些蛋白质来修复损伤。

项目负责人Mendjan 教授表示，“我们并没有用到很多高深的技术，只是将目前已知的心脏发育信号用于心脏类器官的合成中。这表明，目前这些信号通路对于心脏发育是必须的，它们对于多能诱导干细胞自组织形成类器官非常重要。”目前，这一研究仅生成了一个单腔的心脏类器官结构。下一步，该团队计划在体外合成具有多个腔室的心脏类器官，就像人类真实的心脏那样。一旦这种多腔室自组织心脏类器官形成，人们就可以了解先天性心脏病的病因，也就是胎儿发育缺陷的病因。这样一来，人们还可以更加针对性地开发新药，也对临床试验的结果有了更大的把握。

对于此次创造出的迄今为止最真实的心脏类器官，研究人员表示，当其第一次看到它的时候，很惊讶这些心室可以自行形成。相比其他类器官，心脏类器官的成败显而易见，它会跳动。迄今为止，这颗“迷你心脏”已经在实验室中存活了3个多月，它将帮助科学家们了解心脏发育的前所未有的细节。不过，对于培养一个更成熟的心脏器官——拥有所有的腔室和结构，这是该领域未来课题。不过在十年内可能很难看到，这还有很长的路要走。

但是，如果真的可以有了一个可以自我修复的心脏

那么一些心血管疾病或许就不会再威胁我们的健康了

（以上文章内容来源于网络）



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