日前，德國慕尼黑工業大學(Technical University of Munich, TUM)心血管疾病再生醫學教授Alessandra Moretti研究團隊，使用約35000個誘導型多潛能幹細胞(induced pluripotent stem cell, iPSC)製作出一個「迷你心臟」類器官，解決了先前iPSC無法誘導形成心臟類器官心外膜的問題，並可模擬人體控制心臟心外膜發育的訊號途徑與交互作用，該研究已發表在《Nature Biotechnology》以及《Nature Communication》上。這也是全球首個擁有心外膜的心臟類器官。
 
該類器官直徑約只有0.5 mm，雖然無法自主泵血，但可以透過電刺激，像人類心室一樣收縮。
 
首先，為了建構出含有心外膜的心臟類器官，研究團隊首先調節iPSC細胞球體的BMP4和bFGF訊號途徑，接著最關鍵的是加入維生素A酸(retinoic acid, RA)，其是一種維生素A衍生物，可以促進心外膜發育。
 
RA加入後，逐步誘導中前部原始條帶、心臟中胚層和心血管衍生物的分化；去除分化刺激後，將球體嵌入凝膠中進行3D培養，這種凝膠高度模擬了體內心臟的胞外基質。
 
結果顯示，加入RA的細胞球體比沒有加RA的球體，較快出現形狀與大小的差異，有加入RA的細胞球體比較大，也更早出現完整的心臟功能，在第8天就開始出現自發性跳動，沒有加RA的細胞球體則在12天才開始自發跳動。
 
此外，在分化第15天的免疫螢光分析顯示，沒有加RA的細胞球體主要由鬆散的心肌細胞組成，相較之下，加RA的細胞球體，則形成緊實的心肌細胞核心和一層厚厚的心包膜層，而心包膜層中含有大量表現心外膜標記物，如WT1、TBX18、BNC1、ALDH1A2和TCF21的細胞，研究團隊將這層細胞命名為「類心外膜細胞(epicardioids)」。
 
Alessandra Moretti研究團隊從中觀察到，球體中內皮細胞的占比不多，於是在細胞球體培養基中添加了血管內皮生長因子(VEGF)，因此獲得明顯的類血管結構。
 
研究團隊最終開發出，可在不同iPSC細胞株中，都重複誘導出完整心臟類器官的方法。
 
而研究團隊為了一步研究心外膜的組成，在細胞分化第15天與第30天以單細胞定序技術進行全轉錄體(whole transcriptome)分析，發現誘導出的類器官中含量最多的細胞是表現MYH7和MYL2的心室心肌細胞，並隨著時間而逐漸成熟，此外，還發現了成熟的血管平滑肌細胞(SMCs)。
 
更關鍵的是，研究團隊透過與人類胎兒心外膜的定序數據進行比較，確定了3個表現心外膜標記的細胞類別為間皮心外膜(mesothelial epicardium)、心外膜衍生的間質細胞(epicardium-derived mesenchyme)和增殖細胞(proliferative cells)。
 
研究團隊也進一步研究不同心臟細胞之間的交互作用，在單細胞定序的數據中顯示，心外膜與其他類型的細胞之間存在大量的交互作用，包含刺激心肌細胞增殖，促進冠狀血管生成等等。
 
scRNA-seq與定序轉座酶可接觸的染色質分析法(ATAC-Seq)來研究行成心外膜之前的細胞發育路徑，並創造了juxtacardiac field (JCF)一詞，代表表現Mab21l2的 JCF細胞，其是產生心外膜細胞和心肌細胞的前驅細胞。
 
而該研究團隊在同一天於《Nature Communication》上發表另一篇論文，則針對RA透過影響早期中胚層形成，來進一步影響人類心血管前驅細胞的分化。論文指出，透過調節早期中胚層細胞中的RA訊號，可以分化出包括JCF前驅細胞在內的心血管前驅細胞。
 
在體外培養早期胚胎與小鼠的數據進行比較，驗證了人類心臟在發育過程中，存在一群能夠分化成心肌細胞和心外膜細胞的JCF細胞，且這些JCF細胞上都具有ITGA8標記。
 
研究團隊還利用一名具有先天性心臟缺陷與發育遲緩的努南氏症(Noonan Syndrome)患者的多潛能幹細胞，以同樣方式培養出具有努南氏症疾病特徵的類器官，用來研究先天性心臟缺陷疾病。
 
Alessandra Moretti表示，未來有望可以運用類器官模擬心臟病，並直接在類器官上測試藥物，相信可以減少藥物開發時實驗動物的犧牲。
 
參考資料：
https://doi.org/10.1038/s41587-023-01718-7
https://doi.org/10.1038/s41467-023-36764-x
 
(編譯/李林璦)