客观日本

东京医科齿科大学用ES细胞人工培养出心脏类器官

2020年09月10日 生物医药

东京医科齿科大学难治疾患研究所表观遗传学领域的石野史敏教授和李知英副教授等人组成的研究团队,通过与山梨大学生命环境学领域的研究团队开展联合研究,成功开发出了利用小鼠的ES细胞培养具有心房和心室结构的心脏类器官的技术。

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石野 史敏教授 难治疾患研究所 表观遗传学领域(中间)
李 知英副教授 同上(右)
古川 哲史教授 难治疾患研究所 生物信息药理学领域(左)

研究背景

近年来,业界广泛开发了利用多能干细胞(iPS细胞及ES细胞)在试管内分化心肌细胞的方法,以及通过对成纤维细胞直接进行重编程来培养心肌样细胞的方法等。另外,还有报告显示,通过对心室样心肌细胞肌和心房样心肌细胞肌进行仿生学组合,形成了人类心脏样组织等。不过,由于心脏结构的复杂性,三维心脏类器官的培养一直被认为比较困难。细胞水平的研究无法解析在细胞与组织之间的联动机制下形成的功能,因此各种器官的类器官作为能有效解析模拟生物器官的生物体功能的工具,以及评价药物的器官毒性的工具备受期待。

研究成果

此次研究使用小鼠的ES细胞成功开发出了心脏类器官培养技术,该技术利用FGF4作为生长因子,利用层粘连蛋白与巢蛋白复合体作为细胞外基质,通过构成适合心脏发育的条件,能培养出具有心房和心室结构,同时具备各种生理学和药理学功能的心脏类器官(图1、2)。利用该技术,可以在试管内再现小鼠心脏的发育过程,培养的心脏类器官与胎儿心脏在形态上表现出高度的相似性。

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研究团队从多个方面对心脏类器官进行了详细的解析评估。进行基因表达(RNA-Seq)解析发现,利用小鼠ES源拟胚体(EB)分化心脏类器官时,显示出与胎儿心脏发育相似的整体基因表达谱。在组织学解析中确认,表达了心脏组成细胞(心肌、内皮、平滑肌)构成的高阶结构必不可少的蛋白质。另外,如图3所示,还确认心室标志物阳性心肌细胞和心房标志物阳性心肌细胞存在于类器官中的不同区域。

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利用透射电子显微镜(TEM)进行微细结构解析确认,心脏类器官中除了含有Z线的肌节结构外,还存在心肌细胞特有的闰盘结构(图4)。有趣的是,还在心脏类器官中检测到了对形成传导系统至关重要的浦肯野细胞等,表明心肌细胞在类器官中高度分化成熟。

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在功能解析中观察到了心脏搏动和基于Ca2+influx的心肌收缩,利用光学图谱进行的电生理学解析观测到了自发性兴奋和膜电位。另外还确认,与生物体的心脏一样,心脏类器官表现出心室和心房特有的电生理学特性(图5)。

研究成果

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此次研究培养的心脏类器官是优异的心脏仿生模型,可以在试管内如实模拟伴随着形态变化的心脏发育。本研究为发挥细胞固有的自组织潜能,提供了最佳且最小限度的细胞外刺激和细胞外环境。在试管内模拟了心脏在生物体内的发育过程,是一项非常重要的成果。心肌细胞的成熟度是分化诱导的心肌实现实用化时的重要指标,本次研究培养的心脏类器官具有表示心肌细胞成熟度的T管、钾通道分子IK1及闰盘,品质非常高。功能方面,这些心脏类器官表现出了搏动及肌肉收缩控制功能,电生理学特性方面,表现出自发性兴奋和膜电位,还充分再现了生物体心脏发生的从心房到心室的兴奋传播。这些结果表明,此次的心脏类器官成熟度比较高,有望成为检测心脏毒性等以进行药物安全性评估的有效材料。另外,在长QT间期综合征和心律失常的治疗以及药物筛选等应用研究中,心脏类器官的实用性被认为也得到提高。

论文信息
题目: In vitro generation of functional murine heart organoids via FGF4 and extracellular matrix.
期刊: Nature Communications
URL: nature.com/articles/s41467-020-18031-5

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

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