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用心肌细胞修复人的心脏组织

作者:Ilya Y. Shadrin,Brian W. Allen,Ying Qian,Christoph

心肌细胞(CMS)来源于人胚胎干细胞,它诱导多能干细胞(hPSC CMS),是药物开发和再生疗法应用的一个有吸引力的细胞来源。

为了药物开发和疾病模型研究,人类增加了对诱导多能干细胞来源的心肌细胞(hiPSC CMS)的利用,但是生产大的、功能性心脏组织的方法还是缺乏。

Bursac等科学家设计了一个“修心”平台,用3D培养,让hiPSC CMS成熟,经过5周的分化,显示了强劲的机电耦合,H-zones, I-bands保持一致,显示了T-tubules 和 M-bands的证据。

经过培养,“修心”的成熟标志和功能输出增加,接近成人心肌的值。“修心”可以扩大到临床的尺寸,同时保持高传导速度、收缩应力和空间均匀性。

在裸鼠心室内,利用宿主血管,“修心”血管形成,继续导致钙瞬变。当注入到大鼠的心脏,“修心”有力地嫁接,保持植入前的电气功能,而不增加心律失常的发生率。这些研究为未来利用hiPSC CMS组织,为人类心脏修复提供了技术可能。

由于约10亿个CM可以人在心脏病发作时失去,而细胞分化、纯化和冷冻技术的显著进步,可以大量生产高纯度的HPSC CMS。

这些进步给治疗带来期望,特别是当结合组织工程策略,加速hPSC-CM在体外成熟,提高植入体内的细胞的生存率,保持和功能性。

相比于目前在诊所测试细胞注入策略,体外植入有功能的心肌组织工程提供了很多好处,如提高生存率、保持、在梗塞部位植入细胞的旁分泌作用、增加结构的支持、用导电组织全覆盖瘢痕带来的抗心律失常作用。

心肌组织工程的临床应用还面临着一些挑战,包括:

(1)心肌细胞发育不足,(2)组织的表面积小,(3)组织厚度小(没可灌注的血管),和(4)植入和宿主组织之间机电整合不足。

在这项研究中,针对前两个挑战,Bursac团队建立了一个面积与临床相似(4 × 4 厘米), 高度成熟和功能性的人心脏组织修复平台(cardiopatches)。该方法快速(从多能状态开始5周),可在多个细胞系,并且不需要电气或机械刺激,不使用灌注生物反应器,

或其他会使未来的临床转换复杂的条件。相反,研究人员利用一个自由浮动的动态培养,提高养分的有效性,灵活的框架来支持强化组织,优化培养基和细胞接种密度,开发高效离体心脏的成熟系统。

该研究成果,近日发表在《Nature》杂志上。

低密度cardiopatches平台增加细胞的成熟和大小


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参考文献

Cardiopatch platform enables maturation and scale-up of human pluripotent stem cell-derived engineered heart tissues

Ilya Y. Shadrin,Brian W. Allen,Ying Qian,Christopher P. Jackman,Aaron L. Carlson,Mark E. Juhas&Nenad Bursac

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