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研究人员使用干细胞培育出一款人类心脏早期发育的模型

见所未见——-蔡司共聚焦显微镜系统

通过与格莱斯顿心血管疾病研究所科学家们的通力合作,加州大学伯克利分校的研究人员使用干细胞培育了一款心脏组织模型,它能像真正的心脏那样跳动,并配置一套贴合心脏早期发育模型的系统以及一套确保孕期安全的药物筛查工具。整个研究使用了蔡司的LSM 710共聚焦显微镜。

加州大学伯克利分校及格莱斯顿心血管疾病研究所的研究人员表示如果空间受限,人类诱导性多能干细胞就会进行分化和自我重组进入到心脏微室。中心(红色的物质)是心肌细胞,周边(绿色的环状物)是一种结缔组织,它的主要作用是与外界相连并使微室与培养皿紧密相连。(该视频由加州大学伯克利分校研究人员马镇拍摄)

 

实验已于2015年7月14日在《自然通讯》杂志上发表,研究人员使用生物化学及生物物理方法促使干细胞分化并自我组织成这个包括微心室在内的微型心脏组织。

 

加州大学伯克利分校生物工程学博士Kevin Healy讲道,“我们相信,这是较早在体外培育出的人体微心室。这一技术或能帮助我们快速筛查出可能导致胎儿罹患先天性心脏病的药物。”这项研究是Kevin与Bruce Conklin博士合作进行,Bruce Conklin先生是格莱斯顿心血管疾病研究所资深研究员同时也是医学遗传学和加州大学旧金山分校细胞及分子药理学博士。

药物毒性筛选

研究人员为证实该系统能否用作药物筛选,他们将正在分化的细胞与萨力多胺(一种能引起心脏先天缺陷的药物)接触。结果显示在正常的治疗剂量下,与未接触萨力多胺的心脏组织相比,这种药物会导致微心室发育异常,表现为心室萎缩,肌肉收缩及心率下降等问题。

 

Conklin讲到,“我们选择使用心脏发育药物毒性筛选工具来展示心室的临床相关应用。相关数据表明每年有多达28万位孕妇会服用或接触到对婴儿有危害的药物。先天性缺陷疾病的报道中大多是先天性心脏缺陷,而且孕期安全用药也逐渐成为防止先天性疾病的重中之重。”

 

Healy和其他加州大学伯克利分校的研究人员又实现了一个里程碑—四个月前他们研发问世了一个芯片上的搏动人体心脏细胞系统,该系统是用于药物毒性的筛选。但是该设备是使用分化前的心脏细胞来模仿成人的组织结构。

 

这项新研究里,科学家们模仿了人类组织形成,首先使用了从成年人皮肤组织里提取的基因重新编码的干细胞,形成能够搏动的人类心脏细胞的小室。格莱斯顿心血管疾病研究所Conklin的实验室为此项研究提供了人类诱导性多能干细胞。格莱斯顿心血管疾病研究所是附属于加州大学旧金山分校的一个独立的非营利性生命科学研究组织。

 

这些未分化的干细胞随后被放置在一个圆形表面,后者调节了细胞分化和生长。

如果在固定的表面上生长,人类诱导性多能干细胞就会向特定的空间模式进行分化。多能型生物标记物(OCT4)呈现出的颜色是红色,上皮细胞生物标记物(上皮细胞钙粘蛋白)呈现出的颜色是绿色,胞核生物标记物呈现出的颜色是蓝色。这也很好的解释了生物物理方法是如何影响干细胞的命运和空间模式。(该图片由加州大学伯克利分校的研究人员马镇拍摄)

如果在固定的表面上生长,人类诱导性多能干细胞就会向特定的空间模式进行分化。多能型生物标记物(OCT4)呈现出的颜色是红色,上皮细胞生物标记物(上皮细胞钙粘蛋白)呈现出的颜色是绿色,胞核生物标记物呈现出的颜色是蓝色。这也很好的解释了生物物理方法是如何影响干细胞的命运和空间模式。(该图片由加州大学伯克利分校的研究人员马镇拍摄)

定位很关键

两周后,生长在二维表面环境的细胞开始形成三维结构,成为一个搏动的微室。此外,这些细胞会根据是否位于细胞群的周界还是中央而自我组织。

 

与中央的细胞相比,边界的细胞具有更大的机械压力和张力,因此看起来更像纤维母细胞,后者形成了结缔组织的胶原蛋白。而相比之下中央细胞形成了心脏肌肉细胞。细胞分化初期我们就能观察到空间结构的变化。丧失八聚体结合转录因子(OCT4)和上皮细胞钙粘蛋白表现力的中央细胞变化速度快于周边细胞,这对心脏组织的发育至关重要。

 

加州大学伯克利分校的博士后研究生马镇讲到,“这种空间分化在生物学中是很自然平常的,但我们首次在体外实现了。这种受限的几何学样式提供了生物化学和生物物理学线索,直接引导了心肌分化的进行以及搏动微室的形成。”

如果空间受限,人类诱导性多能干细胞就会进行自我分化,再重组进入到心脏微室。肌成纤维细胞呈现出绿色,心肌细胞呈现出红色,胞核呈现出蓝色。我们使用心脏微室来研究药物毒性对人类心脏早期发育产生的影响(该图片由加州大学伯克利分校的研究人员马镇拍摄)

如果空间受限,人类诱导性多能干细胞就会进行自我分化,再重组进入到心脏微室。肌成纤维细胞呈现出绿色,心肌细胞呈现出红色,胞核呈现出蓝色。我们使用心脏微室来研究药物毒性对人类心脏早期发育产生的影响(该图片由加州大学伯克利分校的研究人员马镇拍摄)

未来能够逐渐替代动物模型

研究者称,在有盖培养皿和细胞培养板里建模早期心脏发育是非常困难的。这一研究领域一般涉及在不同的发育阶段对动物进行解剖,从而研究器官的形成以及这个过程可能会出什么差错。

 

Healy讲到,“我们在研究中使用了从病人身上采集的多能干细胞这一事实代表了这个领域的剧变。之前对于心脏微组织的研究我们都是使用老鼠的心肌组织,然而它并不是一个研究人类疾病的理想模型。”

 

研究人员表示虽然这项研究关注于心脏组织,但将这项技术应用于其它器官发育具有非常大的潜力。

 

Healy讲到,“我们的关注点在于早期心脏发育,但人类多能干细胞的样式的基本原则,以及随后分化是可以扩展到更大范围的组织类型里,用于理解胚胎形成和组织形态发生。”

 

感谢美国国立卫生研究院及西贝尔博士后奖学金项目对此次研究给予大力支持。

关于格莱斯顿心血管疾病研究所

为确保能够出色完成任务,格莱斯顿心血管疾病研究所将致力于解决大脑,心脏,免疫系统等相关方面的疑难杂症,这些疾病也长久困扰着医疗,经济以及社会领域。格莱斯顿心血管疾病研究所附属于加州大学旧金山分校,是一个独立的非营利性生命科学研究组织。他们使用先进的科学技术来应对疾病。

关于加州大学伯克利分校

加利福尼亚大学成立于1868年,不久其伯克利分校也成立了。该校的成立也得益于美国州宪法对大学的期冀,他们相信大学为后代带来的益处是金钱所不能比拟的。加州大学伯克利分校一共培养出了22位诺贝尔奖获得者,其中有七位目前还在学校任职。该校本科生和研究生在校人数达到了36,000余人,有1500多个全职以及500多个兼职的教职员工,分布在130多个院系,还有超过110个跨学科研究单位和实验站。今天,加州大学伯克利分校在美国的所有私立和公立学校中是一所公认的名校,在国际上也因为其丰厚的奖学金制度,大胆的创新体系以及造福世界的梦想而享有盛誉。