心脏发育是一个复杂的过程，涉及到多种类型的细胞。过去，人们无法通过体外模型对这个复杂器官进行建模，也就很难了解心脏发育的时空调节。东京医科齿科大学的研究人员近日利用小鼠胚胎干细胞开发出三维的心脏类器官，与发育中的心脏非常相似。


图：在体外生成与发育中的心脏类似的结构（来源于原文）

心脏由多层组织构成，包括许多不同类型的细胞，比如心肌细胞、结缔组织细胞以及组成血管的细胞。这些细胞协同工作，以确保心脏的正常运作，并向身体的其他部分不断供应新鲜的血液。心脏病的基础研究和药物开发需要与心脏极为相似的疾病模型。尽管可在体外产生心肌细胞，但这些细胞形成团块，而不是体内的那种组织。

研究人员表示：“尽管心脏的功能看似简单，但它却是一个复杂的器官，其结构更加复杂。为了达到这种结构上的复杂性，心脏在发育过程中会接收到大量的信号。我们希望凭借我们对心脏发育过程中信号分子的了解，产生与真实心脏更类似的类器官。”

为了实现这一目标，研究人员深入探索了体内心脏发育所涉及的因子，并推测成纤维细胞生长因子4（FGF4）以及层粘连蛋白/巢蛋白组成的复合物（LN/ET复合物）都是必需的，这些蛋白质在胚胎心脏中表达。

之后的结构分析和分子分析表明，当FGF4和LN/ET复合物存在时，小鼠胚胎干细胞以自组织的方式发生连续的形态学变化，与发育中的心脏表现出极大的相似性，因此也不需要复杂的分化方案。

有意思的是，心脏类器官的发育过程充分反映了体内胚胎心脏发育过程中的形态变化。研究人员仔细观察了心脏类器官的细胞成分，发现胚胎心脏中的细胞都存在于类器官中，包括所有四个腔室以及传导系统中的细胞。更重要的是，心脏类器官具有相应的功能特征。

“这些惊人的结果表明，我们的方法通过一个相当简单的流程带来了心脏发育的模型。这种工具将有助于心脏发育过程的研究，以及心脏病药物的开发和测试，”作者写道。（生物通 薄荷）

原文检索

Lee, J., Sutani, A., Kaneko, R. et al. In vitro generation of functional murine heart organoids via FGF4 and extracellular matrix. Nat Commun 11, 4283 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-18031-5