早期刺激改善了生物工程人心臟細(xì)胞的性能

研究人員現(xiàn)在能夠通過在早期引入電刺激和機(jī)械刺激來使用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSC)來形成人類成人心肌的模型。由于這種肌肉與成人心臟相似，因此與現(xiàn)有的組織工程心臟模型相比，它可以作為測(cè)試藥物和有毒物質(zhì)效果的更好模型。該研究由紐約哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家進(jìn)行，由美國國立衛(wèi)生研究院資助，今天在“自然”雜志上發(fā)表。

干細(xì)胞有可能變成許多不同類型的細(xì)胞。人體細(xì)胞一旦成熟就失去這種靈活性，這就是為什么，例如，心臟細(xì)胞不會(huì)自發(fā)地決定成為肺細(xì)胞。iPSC是取自成年人的細(xì)胞，其已經(jīng)被操縱或誘導(dǎo)成干細(xì)胞狀態(tài)。然后，研究人員能夠通過使用各種化學(xué)和物理刺激將這些“空白板巖”細(xì)胞引導(dǎo)到不同的細(xì)胞類型中。多年來，科學(xué)家們已經(jīng)能夠使用iPS衍生的心肌細(xì)胞(iPS-CMs)設(shè)計(jì)心臟組織。然而，能夠成功模擬成人心臟細(xì)胞復(fù)雜性的工程組織并不容易，而且直到現(xiàn)在還沒有在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)。

“在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)的人體心臟組織顯示出天然心肌的行為將對(duì)生物醫(yī)學(xué)研究具有變革性，”哥倫比亞大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教授Gordana Vunjak-Novakovi?博士說。“為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，我們通過加速發(fā)育迫使培養(yǎng)的心肌通過胎兒到產(chǎn)后的過渡。這是通過使用早期iPS-CM并逐漸增加電誘導(dǎo)收縮的頻率來完成的。在培養(yǎng)僅4周后，組織響應(yīng)并顯示出成體樣基因表達(dá)，顯著組織的超微結(jié)構(gòu)，以及在成熟心肌中看到的許多功能特征。

Vunjak -諾瓦科維奇和她的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在可靠地改造人類的心臟取得顯著進(jìn)步的肌肉，模仿成人的心肌。他們發(fā)現(xiàn)，等待向iPSC引入物理刺激(如電流和機(jī)械刺激)的時(shí)間越長，細(xì)胞的反應(yīng)就越少。該團(tuán)隊(duì)推斷，他們?cè)皆缫霗C(jī)電刺激，效果就越大。

他們?cè)谌N不同情況下測(cè)試了兩種類型的iPS-CM：早期階段(12天齡細(xì)胞)和晚期階段(28天齡成熟細(xì)胞)。第一個(gè)測(cè)試條件是無任何刺激的對(duì)照。第二個(gè)是持續(xù)電刺激三周。第三個(gè)是兩周逐漸增加的電刺激水平，然后是一周的恒定強(qiáng)度刺激。第三種情況模仿了人類心臟在胎兒發(fā)育的最后幾周和出生后經(jīng)歷的變化。

研究人員發(fā)現(xiàn)，第三種方案是在早期iPS-CM中引入強(qiáng)度增加的物理?xiàng)l件，在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)僅4周后幫助它們形成類似成人的人類心臟組織。

“由此產(chǎn)生的工程組織與功能性人體組織的相似性確實(shí)是前所未有的，”國家生物醫(yī)學(xué)成像和生物工程研究所(NIBIB)Tissue Chips計(jì)劃主任Seila Selimovic博士說。“在如此短的時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)成熟心臟組織的能力是使我們更接近擁有可靠的人體組織模型進(jìn)行藥物測(cè)試的重要一步。”工程化組織模仿人類心臟越好，它們就越能預(yù)測(cè)藥物或環(huán)境因素對(duì)患者實(shí)際心臟組織的影響。擁有可靠的人體組織模型將有助于使藥物開發(fā)更快，更安全，更便宜。

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