心血管疾病（CVD）是全球主要的死亡原因之一，每年估计导致1790万人死亡，因此心脏的实验室模型用于更好地了解心血管疾病的病因及心脏发育和疾病研究至关重要。

目前，科学家们已使用多种模型系统来研究 CVD，从原代和诱导多能干细胞 （iPSC） 衍生的心肌细胞培养物到动物模型和 3D 培养系统。

然而，传统的实验模型存在一些局限，包括缺乏内源性细胞外基质（ECM）和非心肌细胞心肌细胞类型，以及缺乏生理形态和细胞组织，这些系统中的许多系统未能完全概括人类心脏复杂性的各个方面。此外，动物模型具有独特的非人类生理学、代谢学、电生理学和药代动力学特征，通常不能准确预测与人类相关的反应。因此亟需更有效的实验模型对人类心脏发育和疾病病理学进行深入理解。

近日，美国密歇根州立大学Aitor Aguirre团队发表最新研究：他们利用iPSC通过完全的自我组装，成功构建了一种具有人类原始心脏模式的心脏类器官模型。并在高通量环境中诱导人类心脏类器官进一步与发育相关的细胞、生化和结构变化，使心脏类器官更接近 6-10 周龄的妊娠心脏。

该试验结果强调了对于更真实、更精确地模拟人类心脏发育和疾病的需求，以便更好地理解心脏疾病的发病机制，并为药物研发和治疗提供更可靠的实验模型。

iPSC自组织生成

人类原始心脏类器官

众所周知，iPSC衍生的类器官组织可以在体外再现器官发育的重要特征。

研究首先描述了从hiPSC胚胎体到心脏谱系的分化过程，以及从第0天到第7天通过时间上的“3步Wnt通路调节策略”（通过Wnt通路来调节心脏类器官发育的策略），然后在RPMI/B27培养基中培养直到第20天的过程。

△ 整个30天培养期间类器官的明场图像。每种条件都显示了两种具有代表性的类器官（数据代表了五个独立实验中每种条件的23-24个独立类器官）

从第20天开始，研究实施了四种不同的发育诱导策略，包括对照组、成熟培养基（MM）、增强成熟培养基1（EMM1）和增强成熟培养基2/1（EMM2/1）。这些策略基于先前的人类和动物发育研究，代表了逐渐增加的复杂性，与子宫内条件相关。

△ 创建人类心脏类器官的分化方案及四种成熟策略（对照、MM、EMM1 和 EMM2/1）的培养基条件的示意图

研究观察了心脏类器官的生长、形态学特征和心脏搏动情况。通过透射电子显微镜（TEM）图像观察到了肌原纤维和肌节的形成，以及不同发育诱导策略下肌节长度的变化。此外，还观察到了心肌细胞标记基因的表达情况。

研究人员为了表征每种发育诱导条件下心脏类器官的细胞和转录组组成，研究人员在类器官培养的第34天进行了RNA 单细胞基因测序（scRNA-seq），并绘制了每种条件下的综合UMAP聚类图。

在所有心脏类器官中均可见心室和心房心肌细胞（分别为vcm和ACMs）、瓣膜细胞（VCs）、心外膜前细胞（PEDCs）、心外膜细胞（ECs）、基质细胞（SCs）、心脏祖细胞（CPC）、传导细胞（CCs）和内皮细胞（ECs）。这几个重要细胞组的丰度根据不同发育培养基条件而变化，还通过差异基因表达分析了特征基因的表达情况。

△ 第 34 天类器官中每种病症的整合单细胞 RNA 测序数据的 UMAP 降维图

研究进行了单细胞基因表达分析，揭示了不同发育诱导条件下心脏细胞群的基因表达特征，以及与人类胚胎心脏发育数据集的相似性。研究还分析了心脏类器官对代谢成熟刺激的反应，包括线粒体生长、密度、基因表达谱和氧消耗率的变化。通过统计学方法对实验数据进行分析，包括使用一元方差分析（ANOVA）和t检验等方法，以评估不同条件下的心脏类器官的特征和功能变化。

△ 人类心脏类器官在发育诱导条件后发展出越来越成熟的代谢特征。线粒体标记：在每种情况下第 30 天有 30 个人类心脏类器官（n = 每种情况下 6 个独立的类器官）。白色 = Mitotracker，蓝色 = NucBlue

此外，研究人员试图研究昂丹司琼在人类心脏类器官发育中的作用。昂丹司琼是一种5-HT3受体拮抗剂和止吐剂，用于治疗恶心和呕吐。

研究人员将昂丹司琼应用于心脏类器官，通过qPCR等实验验证了昂丹司琼扰乱了心室心脏发育的关键步骤。昂丹司琼也与诱发心律失常和延长QT间期有关。因此，研究人员使用电位染料di-8-ANEPPS研究了昂丹司琼对心脏类器官发育的电生理影响。研究人员证实了长期使用昂丹司琼可能对胚胎/胎儿心脏的电生理成熟有有害影响。

△原始心管类器官显示出昂丹司琼给药与心室性心脏缺陷之间的直接联系

这些数据为深入了解了昂丹司琼在人类心脏发育过程中的形态学和电生理学安全性，并为今后的研究提供了概念证明，从而提高妊娠药物的安全性和有效性，并改善先天性心脏病的病理学。

综上，该试验发现了发育诱导策略对心脏类器官的形态学和功能特征产生了显著影响，包括肌节长度的变化、心脏搏动情况和心肌细胞标记基因的表达情况。EMM2/1策略最大程度地模拟了子宫内心脏发育，使心脏类器官获得了更高的解剖复杂性和生理相关性，包括线粒体和代谢成熟、电生理学成熟、形态和细胞复杂性的增加。

昂丹司琼的添加导致心脏类器官的心跳频率和振幅降低，并且增加了动作电位的持续时间，表明昂丹司琼可能会对人类心脏发育产生负面影响，特别是在胎儿期使用时。

这些方法和研究结果为人类心脏类器官的生成和发育提供了重要的实验和数据支持，揭示了这些发育特征都突出了体外模拟发育中的人类心脏的能力，证明了在未来建立心脏模型用于研究正常心脏发育、先天性心脏缺陷、心脏药理学、再生和其他心血管疾病的潜力。

类器官技术

开辟疾病治疗思路

心脏类器官技术的发展为心脏疾病的研究和治疗带来了新的机遇。随着技术的不断进步和优化，未来心脏类器官有望在模拟疾病、药物筛查、个性化医疗、再生医学、跨学科合作等方面发挥更大的作用。

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。[2]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。

△ 跳动的心脏类器官（来源：The Mendjan Lab）

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。

两年后，该团队在学术顶级期刊《Cell》发表最新成果[3]，表明在原先原先研究的基础上，成功培育出首个自组织多腔心脏类器官。

△ 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

该模型包括所有主要心脏发育结构，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。这个多腔心脏类器官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。

2023年，来自德国慕尼黑工业大学的心血管疾病再生医学教授Alessandra Moretti及其科研团队，经过13年潜心研究，在心脏类器官领域迎来了新突破！[4]

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”。该模型不仅更加“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。

△ 与以前只利用心肌细胞和心壁内层细胞创造的类器官不同，这个“微型心脏”同时包含心肌细胞和心外膜细胞。研究人员可以用它们在实验室模拟人类心脏的发育，并研究心脏疾病

心外膜细胞对心脏的形成起着决定性作用。这个有着心脏外膜的“微型心脏”类器官，相较之前的心脏类器官，填补了过往研究的空白，是心脏类器官领域的重要里程碑式发展。这个同时包含心肌细胞和心外膜细胞的心脏类器官，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。

随着再生医学和类器官技术的进步，心脏类器官技术将在疾病建模、疾病治疗和心脏发育研究等方面展示出更大潜力和更多价值。伴随基因编辑、生物工程、材料科学和临床医学等紧密联合，心脏类器官技术的应用不断深入，未来有望为心脏疾病的研究和治疗带来革命性的变革，为广大心血管疾病患者带去健康福音。