人體器官是如何發(fā)育的？當它們患病時(shí)會(huì )發(fā)生什么？為了回答這些問(wèn)題，研究人員越來(lái)越關(guān)注所謂的類(lèi)器官（Organoid）。這些微型器官通常只有幾毫米大小，由實(shí)驗室培養的細胞群組成，可以形成類(lèi)似器官的結構。類(lèi)器官技術(shù)的誕生，讓在體外研究細胞在三維空間中的相互作用成為可能。
近日，德國漢諾威醫學(xué)院 Robert Zweigerdt 團隊等在 Nature 子刊 Nature Cell Biology 上發(fā)表了題為：Blood-generating heart-forming organoids recapitulate co-development of the human haematopoietic system and the embryonic heart 的研究論文【1】。該研究首次成功構建了可生成血液的心臟類(lèi)器官。
類(lèi)器官的生成并不容易，其所需的營(yíng)養素、生長(cháng)因子和信號分子必須按照特定的順序和特定的時(shí)間按照精確的時(shí)間表添加。
2021年2月，Robert Zweigerdt 團隊在 Nature Biotechnology 期刊發(fā)表論文【2】，首次成功制造了心臟形成類(lèi)器官（Heart-forming Organoid，HFO），并在培養中重現了人類(lèi)心臟早期階段的完整路徑。
到目前為止，科學(xué)界尚未解決的一個(gè)問(wèn)題是如何同時(shí)模擬心臟發(fā)育和造血過(guò)程。人類(lèi)胚胎在第四周時(shí)，造血開(kāi)始在主動(dòng)脈中形成，與心臟原基的形成時(shí)間和位置相近。
在這項新研究中，研究團隊在他們之前開(kāi)發(fā)的心臟類(lèi)器官模型（HFO）的基礎上，逐步添加了特殊因子，從而創(chuàng )造了一種新、產(chǎn)生血液的心臟類(lèi)器官——BG-HFO（blood-generating HFO）。
這種微型心臟是由人類(lèi)多能干細胞（hPSC）制造的。hPSC是具有特殊性質(zhì)的干細胞，它們可以在培養基中無(wú)限繁殖并形成任何類(lèi)型的細胞。借助嵌入在水凝膠基質(zhì)中的生物或化學(xué)信號，可以控制hPSC的分化，使三維細胞聚集體在10-14天內發(fā)育為心臟類(lèi)器官。這并不是簡(jiǎn)單的心肌細胞簇，而是由至少7種不同的、結構清晰的細胞和組織類(lèi)型組成的復雜結構。
與自然胚胎發(fā)育過(guò)程一樣，這些心臟類(lèi)器官由三層杯狀結構組成，包括心臟的前體細胞、肝、肺和血管。研究團隊表示，經(jīng)過(guò)調整的分化方案，在心臟類(lèi)器官上添加了一個(gè)致密的內皮層，它排列在血管上，并從那里產(chǎn)生造血細胞和祖細胞。這也是第一個(gè)根據胚胎發(fā)育將所有組織結合在一起的人體器官模型。
BG-HFO的成功構建，使其他研究人員能夠在細胞培養中研究造血的跨組織相互作用是如何發(fā)生的。這項研究不僅對闡明健康器官發(fā)育和造血有科學(xué)意義，還可以作為研究病毒、細菌、癌癥或遺傳缺陷的研究模型，以更好地了解心血管疾病，還適用于藥物測試。
最后，研究團隊表示，這種類(lèi)器官構建原理非常靈活，因此，他們沒(méi)有止步于讓心臟類(lèi)器官產(chǎn)生血液，還在研究新的分化方案，將hPSC轉化為構成其他器官的細胞，從而進(jìn)一步開(kāi)發(fā)多組織類(lèi)器官模型，用于醫學(xué)研究。
論文鏈接：
1. https://www.nature.com/articles/s41556-024-01526-4
2. https://www.nature.com/articles/s41587-021-00815-9
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