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2021年，奥地利科学院的生物学 Sasha Mendjan教授及其科研团队利用人类多能干细胞成功培养出全球首个体外自组织心脏类器官模型。两年后，该团队在原先研究成果的基础上，成功培育出首个自组织多腔心脏类器官。相关研究已在《Cell》（影响因子IF=64.50）上公开发表。

该模型包括所有主要心脏发育结构，有望成为心脏发育和相关疾病的研究平台，有助于推进心脏疾病药物开发和毒理学研究，为治疗先天性心脏缺陷等心脏疾病提供再生医学新策略。

心脏疾病是全球主要的死亡原因之一，每年因心脏病导致约1800万人死亡。在人类胎儿死亡中，心脏发育缺陷更是首要原因，每50名出生的婴儿中就有一名患有先天性心脏缺陷。

然而，迄今为止，在心脏疾病新疗法的开发过程中却面临着巨大瓶颈：目前还没有整个人类心脏的生理模型，缺乏合适的研究平台。

由于人类的心脏结构非常复杂，现有的体外人类心脏模型无法捕捉到突变、药物和环境因素对不同心脏室的特殊功能的影响，因此很难帮助确定疾病发生的根本原因。

随着再生医学，尤其是类器官技术的不断发展，一种反应心脏复杂结构的新型多室类器官为科学家们提供了能够推进药物开发、毒理学研究和了解心脏发育的筛选平台。

来自奥地利科学院分子生物技术研究所（IMBA）的Sasha Mendjan团队开发出了首个多腔心脏类器官模型（multi-chamber heart organoids），该模型包括了所有主要的心脏发育结构，有望成为心脏发育和相关疾病的研究平台，提供治疗先天性心脏缺陷等心脏疾病的再生医学新策略。

首个多腔心脏类器官

揭示人类心脏发育之谜

先天性心脏病（CHD）是最常见的人类发育出生缺陷，也是胚胎和胎儿死亡的最普遍原因。

先天性心脏病最常累及胚胎心脏的特定隔室，如流出道（OFT）、心房、房室管（AVC）和右心室（RV）。

由于先天性心脏病发生在胚胎发育初期，缺乏对遗传背景和环境因素之间相互作用的控制，使得疾病病因的表征特别具有挑战性。鉴于这种组织复杂性、发育速度、不可及性和物种特异差异，仅通过动物模型了解先天性心脏病的病因是不可行的。

为了确定可能的疾病原因和预防措施，亟需一种涵盖发育中的人类心脏所有隔室的生物模型。

2023年11月28日，奥地利科学院分子生物技术研究所（IMBA）的Sasha Mendjan团队开发出了首个多腔心脏类器官模型，该模型包括了所有主要的心脏发育结构。这一类器官模型的建立有助于推进心脏病药物开发和毒理学研究。

△ 该研究以Multi-chamber cardioids unravel human heart development and cardiac defects为题发表在《Cell》杂志。上图为本论文的图形摘要。

Sasha Mendjan团队一直致力于心脏模型的研究和开发。

早在2021年，他们团队就使用人类多能干细胞成功培养出了全球首个体外自组织心脏类器官（heart organoids, 也称为cardioids）模型。

该模型可自发形成空腔，自主跳动，无需支架支持。同时，这种心脏类器官在受伤后可以自主动员心脏成纤维细胞迁移，修复损伤。

这种自组织心脏类器官模型再现了胚胎发生早期阶段心脏左心室腔的发育过程，但略有不足的是，这一研究仅生成了一个单腔的心脏类器官结构。

△ 跳动的心脏类器官（来源：The Mendjan Lab）

Mendjan表示，左心室将含氧血液泵入全身，大多数成人心脏疾病会影响左心室，而先天性心脏缺陷则主要影响对建立和维持循环至关重要的其他心脏部位。

在新的研究中，Mendjan及其研究团队扩展了他们之前的工作。他们首先分别构建了胚胎心脏发育的主要腔室的类器官模型，包括右心室（RV）、左心室（LV）、心房、流出道（OFT）和房室管（AVC）。通过2D和3D分化方法及相关信号通路的调节，最终生成了具有第一、前、后心腔的祖细胞亚群。

接下来，研究人员试想：如果让所有这些类器官共同发育，能否得到一个像早起人类心脏一样协调跳动的心脏模型？

倘若可以在体外合成具有多个腔室的心脏类器官，就可以像人类真实的心脏一样，以帮助了解先天性心脏病的病因。而后，研究人员将左右心室和心房类器官一起生长后，得到的结果令人震惊。

△ 多腔心型的横截面，心房类器官为青色，左心室类器官为白色，右心室类器官为洋红色。横截面强调多室心形内的空腔。

通过单细胞RNA基因测序（scRNA-seq）分析以及功能特征比较结果显示，这些腔室类器官的电化学信号是多种多样的，与胎儿心脏中观察到的现象相似。

“事实上，电信号从心房传播到左心室，然后是右心室——就像早期胎儿一样心脏发育‘在动物身上’，Mendjan回忆道。我们现在首次在人类心脏模型中观察到这一基本过程，包括所有的心室。”

同时，研究人员在这一模型中观察到了人类心脏开始跳动的过程。他们发现，左心室首先以其节律引导新生的右心室和心房。然后，随着心房的发育（两天后），心室跟随心房导联。

△ 腔室心形收缩视频展示。

之前的心脏类器官模型可以用于研究腔室的形状和组织，而新开发的这一多腔室心脏类器官模型实现了进一步的突破，可以帮助研究区域基因表达差异如何导致特定的腔室收缩模式以及腔室之间复杂的信号传导沟通过程。

通过本研究构建的多腔室心脏类器官模型，不仅揭示了相互作用的心室之间信号和收缩传播的个体发育，而且解开了对于突变、致畸剂和药物如何导致发育中的人类心脏特定区域的缺陷的未解之谜。

心脏类器官平台

助力疾病筛查和新药研发

研究人员以此建立了一个缺陷筛查平台，用以研究已知的致畸剂和突变如何同时影响数百个心脏类器官。

编码心脏转录因子（TFs）的基因突变会导致特定类型的先天性缺陷，研究人员分别敲除了3个在心脏发育过程中起关键作用的TFs基因（ISL1，TBX5和FOXF1），相关基因敲除的类器官在后续的发育、分化和功能方面都受到了特定的影响，导致了人类发育中可见的腔室特异性缺陷。

△ 多室心型可以不同组合高通量培养。特写显示了一个多室心形的横截面，其中心房类器官为青色，左心室类器官为白色，右心室类器官为洋红色。

众所周知，沙利度胺（Thalidomide）是一种会干扰TBX5功能，导致严重的心脏和肢体缺的致畸剂。此外，用于治疗白血病、银屑病和痤疮等的视黄醇衍生物也是已知会导致胎儿严重心脏缺陷的致畸剂。

两种致畸物都在心脏类器官中诱导相似的、严重的房室特异性缺陷。以类似的方式，三种心脏转录因子基因的突变导致了人类发育中出现的心室特异性缺陷。

Mendjan表示，“我们的测试表明，多室心形动物再现了胚胎心脏的发育，可以高度特异性地揭示对整个心脏的破坏性影响。我们采用整体方法，同时查看多个读数。”

结果证实，利用多腔室心脏类器官可以辨别基因突变的早期发育影响，已知的致畸和致心律失常药物以及人类多室心脏平台中的治疗剂，并将其与患者中观察到的心脏缺陷联系起来。这对于研究从治疗开发到环境研究背景下对人类心脏生物学的影响具有广泛意义。

在未来，多室心脏类器官还可以用于毒理学研究，并开发具有心腔特异性作用的新药物。从患者来源的多能干细胞（hPSC）培育的心脏类器官可以帮助深入了解发育缺陷，以及如何预防和治疗相关的心脏疾病，为建立心脏药物发现渠道提供更多新机遇。

 类器官技术

为心脏疾病提供新策略

目前，通过诱导多能干细胞iPSC技术，科学家们可以培育出模拟人类心脏组织和结构的“迷你心脏”类器官，这些模型有助于研究心脏疾病的发病机制；还可以模拟心脏病、心肌梗死、先天性心脏缺陷等心脏疾病，成为研究这类疾病的优秀体外模型，加速药物研发和治疗策略的创新。

由于类器官可以高度模拟体内组织和器官的特性，使得心脏类器官为药物筛选的毒性测试提供了绝佳的体外研究平台，可用于评估新药对心脏组织的影响，从而加速新药研发的进程。此外，利用患者自身的iPSC培育的心脏类器官还可以帮助实现个性化医疗，为患者提供个性化治疗的新策略。

来自德国慕尼黑工业大学（TUM）的心血管疾病再生医学教授Alessandra Moretti及其科研团队，经过十多年的潜心研究，在心脏类器官领域迎来创新研究突破[2]！

2023年，他们用干细胞成功培育出了首个与人类早期胚胎心脏相似的“微型心脏”！这种“微型心脏”不仅更加“小巧”，直径仅0.5毫米。更重要的是，它也是第一种同时包含心肌细胞和心外膜细胞的类器官，并在电刺激下能像人类心脏腔室一样收缩。

△ 与此前的心脏类器官不同，这个“微型心脏”同时包含心肌细胞和心外膜细胞。

这个全新的、穿着“心外膜”的心脏类器官，对于解决复杂心脏疾病，心外膜细胞的分子和心外膜功能异质性等问题提供了新的解决思路。这些问题对于心外膜再激活作为潜在的治疗靶点具有重要意义。

2021年，Sasha Mendjan教授及其科研团队曾以 “Cardioids reveal self-organizing principles of human cardiogenesis”为题发表在《Cell》杂志上。

该研究[3]使用人类多能干细胞成功培养出全球首个体外自组织心脏类器官模型，该模型可自发形成空腔，自主跳动，无需支架支持。同时，这种心脏类器官在受伤后可以自主动员心脏成纤维细胞迁移修复损伤。

△ 与大多数人想象中的简单空腔结构不同，心脏的结构其实相当复杂。

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。”

但这一研究仅生成了一个单腔的心脏类器官结构。接下来，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。

时隔2年，在2023年，Mendjan教授和科研团队攻克难关，成功实现了多腔室心脏类器官。这为深入了解先天性心脏缺陷的疾病原因，针对性开发治疗药物提供了新机遇，也对临床试验的结果有了更大的把握。

随着类器官技术的不断进步，为研究心脏发育，相关疾病治疗对策提供创新技术平台，有望在心脏疾病治疗领域实现更多的突破，为患者带来更多的治疗选择和个性化治疗方案。