出品：科普中國(guó)

作者：李玉歡（吉林大學(xué)）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

當(dāng)你在地鐵里疾步如飛趕早高峰時(shí)，當(dāng)你在辦公室熬夜加班工作時(shí)，是誰(shuí)默默承受了這些負(fù)擔(dān)？是心臟，這臺(tái)生命的發(fā)動(dòng)機(jī)，每時(shí)每刻都在源源不斷地為我們輸送生命之源。然而，心臟也不是鐵打的機(jī)器，也需要我們的關(guān)愛。

心臟疾病是威脅人類生命健康的頭號(hào)殺手，心臟健康也是生命科學(xué)領(lǐng)域永恒的命題。讓我們一起來(lái)了解科學(xué)家們歷時(shí)十三載，終于為“迷你心臟”穿上外衣的故事。

“小器官”的大作用

人體是如此的精妙而復(fù)雜，為了更好地研究人體器官的發(fā)育及生理病理狀態(tài)，科學(xué)家們?cè)谂囵B(yǎng)皿里創(chuàng)造了“類器官”。它屬于三維細(xì)胞培養(yǎng)物，與對(duì)應(yīng)的器官擁有類似的空間組織，并能夠重現(xiàn)對(duì)應(yīng)器官的部分功能，提供了一個(gè)高度生理相關(guān)的系統(tǒng)。

圖2 類器官是人體器官發(fā)育及生理病理的研究利器

（圖片來(lái)源：Genome Institute of Singapore）

由于人類心臟微環(huán)境的復(fù)雜性，很多動(dòng)物研究的結(jié)果仍不能完全轉(zhuǎn)移到人類身上。心臟類器官，也就是“迷你心臟”對(duì)于了解心臟的發(fā)育、研究先天性心臟病的治療具有重要意義。

心臟類器官的前世今生

德國(guó)慕尼黑大學(xué)的Alessandra Moretti教授團(tuán)隊(duì)是是世界上第一批成功創(chuàng)建包含心肌細(xì)胞和心壁外層細(xì)胞（心外膜）類器官的研究人員。早在2010年，Moretti教授就描述了如何使用干細(xì)胞來(lái)創(chuàng)建人類心肌組織；2015年，又在如何使用干細(xì)胞生成自組織的外心包體方面有了新發(fā)現(xiàn)；2018年，使用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)探索干細(xì)胞生成心臟組織的分子機(jī)制；2021年，使用基因編輯技術(shù)糾正了心臟病的遺傳突變。

在心臟類器官領(lǐng)域，一直有一個(gè)懸而未決的問題，那就是多能干細(xì)胞衍生的心臟類器官無(wú)法自發(fā)形成真正的心外膜（在心臟發(fā)育和修復(fù)中具有關(guān)鍵功能）。而2023年4月3日發(fā)表在《自然—生物技術(shù)》雜志的論文中，Moretti教授團(tuán)隊(duì)解決了這個(gè)問題，再創(chuàng)心臟發(fā)育學(xué)研究的重要里程碑。

圖3 Alessandra Moretti課題組在《自然—生物技術(shù)》上發(fā)文，展示了“心外膜類器官”

（圖片來(lái)源：《自然》雜志官網(wǎng)）

那么，這件迷你心臟的外衣是如何產(chǎn)生并發(fā)揮作用的呢？這就要從以下幾個(gè)方面來(lái)跟大家一起探討。

1. 心外膜類器官是如何產(chǎn)生的？

為了構(gòu)建更接近真實(shí)狀態(tài)的心臟類器官，Moretti教授團(tuán)隊(duì)在之前利用人多能性干細(xì)胞形成球體的配方中，加入了可促進(jìn)心外膜發(fā)育的視黃酸，隨后將球體嵌入凝膠中進(jìn)行3D培養(yǎng)。最終發(fā)現(xiàn)，視黃酸處理的球體除了形成心肌細(xì)胞核心，還形成了一個(gè)厚厚的包裹層（圖4）。研究人員驚喜地發(fā)現(xiàn)，這個(gè)包裹層中含有大量表達(dá)心外膜標(biāo)記物的細(xì)胞，這正是大家苦尋13年的心臟類器官的“外衣”！

圖4 利用人多能干細(xì)胞產(chǎn)生心外膜類器官的流程模式圖

（圖片來(lái)源：改編自參考文獻(xiàn)[1]）

通過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化培養(yǎng)，研究人員最終得到了能夠顯示功能性心室心肌和心外膜自組織的心臟類器官，并命名為“心外膜類器官（Epicardioid）”。

2. 心外膜類器官和人類心臟有多像？

在得到心外膜類器官后，研究人員通過(guò)單細(xì)胞測(cè)序分析了它的細(xì)胞組分，發(fā)現(xiàn)它和人類胎兒心外膜的細(xì)胞種類相同，都包含了間皮心外膜細(xì)胞、心外膜衍生的間充質(zhì)細(xì)胞和增殖細(xì)胞。而且這個(gè)小小的類器官，竟然完美再現(xiàn)了人類的心室模式：致密外心肌層的動(dòng)作電位復(fù)極化時(shí)間明顯短于內(nèi)心肌層（圖5）。

圖5 心外膜類器官的外心肌層（OM）和內(nèi)層心?。↖M）

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

由此可見，心外膜類器官極好地模擬了人類心臟的結(jié)構(gòu)、功能和細(xì)胞復(fù)雜性。

3. 不同的心臟細(xì)胞之間如何互動(dòng)？

通過(guò)對(duì)單細(xì)胞測(cè)序數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，心外膜細(xì)胞與其他細(xì)胞類型之間存在大量的相互作用。研究人員重點(diǎn)關(guān)注了心外膜細(xì)胞中胰島素樣生長(zhǎng)因子2（IGF2）和心肌細(xì)胞中胰島素樣生長(zhǎng)因子1受體（IGF1R）這一對(duì)配體-受體的相互作用，因?yàn)檫@是嚙齒類動(dòng)物心肌致密化的主要驅(qū)動(dòng)因素，但還未在人體系統(tǒng)中進(jìn)行研究。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)IGF1R抑制劑的處理顯著降低了心外膜類器官中心肌細(xì)胞的分裂（圖6）；而用IGF2處理沒有心外膜的心臟類器官時(shí)，心肌細(xì)胞密度隨著IGF2的濃度增加而增加，這表明即使在沒有心外膜的情況下，IGF2也足以誘導(dǎo)心肌致密化。

圖6 心外膜細(xì)胞IGF2和心肌細(xì)胞IGF1R相互作用促進(jìn)了心肌致密化。

（圖片來(lái)源：改編自參考文獻(xiàn)[1]）

4. 心外膜細(xì)胞的“祖先”是誰(shuí)？

如此重要的心外膜細(xì)胞是從哪里來(lái)的呢？在之前，人們對(duì)心外膜前體細(xì)胞的個(gè)體發(fā)育并不清楚，對(duì)人類對(duì)應(yīng)物的了解就更少了。

而在這項(xiàng)研究中，Moretti教授通過(guò)單細(xì)胞測(cè)序結(jié)合計(jì)算生物學(xué)的方法，在時(shí)間軸上跟蹤細(xì)胞軌跡最終發(fā)現(xiàn)，“前近心野（pre-JCF）”的前體細(xì)胞正是心外膜細(xì)胞的主要來(lái)源。而且，“pre-JCF”前體細(xì)胞在人類中具有“雙能”，既能產(chǎn)生心肌細(xì)胞，又能心外膜細(xì)胞（圖7）。

圖7 譜系追蹤顯示“pre-JCF”前體細(xì)胞分化為心外膜細(xì)胞和心肌細(xì)胞

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

5. 心外膜類器官能做什么？

類器官的一大作用是進(jìn)行疾病模擬，在得到心外膜類器官后，研究人員也迫不及待地想要利用這個(gè)模型解決二維體外模型無(wú)法解決的問題，比如纖維化在心力衰竭進(jìn)展中的關(guān)鍵作用。研究人員首先用血管收縮劑處理了心外膜類器官，結(jié)果引發(fā)了心肌細(xì)胞肥大，并且還使其表現(xiàn)出衰竭心臟的公認(rèn)特征：頻繁的心律失常和鈣瞬變幅度降低。（圖8）。

圖8 血管收縮劑ET150處理心外膜類器官后，心律失常頻率增加，鈣瞬變幅度降低。

（圖片來(lái)源：改編自參考文獻(xiàn)[1]）

此外，研究人員還測(cè)試了心外膜類器官模擬先天性心肌纖維化的能力，他們利用來(lái)自努南綜合征患者（出生時(shí)即表現(xiàn)嚴(yán)重的左心室肥厚和心肌纖維化）的誘導(dǎo)多能性干細(xì)胞產(chǎn)生了患者特異性的心外膜類器官，并在培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)心外膜的細(xì)胞環(huán)境確實(shí)允許與發(fā)育缺陷相關(guān)的纖維化變化。

根據(jù)這些研究發(fā)現(xiàn)，我們可以在臨床前測(cè)試中應(yīng)用心外膜類器官，確定心肌纖維化藥物的作用，從而避免了試驗(yàn)直接作用于受試者所造成的傷害風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)語(yǔ)

某種程度上可以說(shuō)，類器官是科學(xué)家解開生命奧秘的研究利器。在心臟的研究領(lǐng)域，心外膜類器官更是提供了一個(gè)獨(dú)特的平臺(tái)來(lái)解決發(fā)育生物學(xué)以及心血管醫(yī)學(xué)和藥物發(fā)現(xiàn)中的基本問題?？梢灶A(yù)見，這個(gè)穿著外衣的迷你心臟將帶來(lái)更多的發(fā)現(xiàn)。但在這之前，還是讓我們好好鍛煉保護(hù)好自己的心臟吧！

參考文獻(xiàn)：

Meier AB, et al., Epicardioid single-cell genomics uncovers principles of human epicardium biology in heart development and disease. Nat Biotechnol. 2023 Apr 3.