出品：科普中国

作者：李玉欢（吉林大学）

监制：中国科普博览

当你在地铁里疾步如飞赶早高峰时，当你在办公室熬夜加班工作时，是谁默默承受了这些负担？是心脏，这台生命的发动机，每时每刻都在源源不断地为我们输送生命之源。然而，心脏也不是铁打的机器，也需要我们的关爱。

心脏疾病是威胁人类生命健康的头号杀手，心脏健康也是生命科学领域永恒的命题。让我们一起来了解科学家们历时十三载，终于为“迷你心脏”穿上外衣的故事。

“小器官”的大作用

人体是如此的精妙而复杂，为了更好地研究人体器官的发育及生理病理状态，科学家们在培养皿里创造了“类器官”。它属于三维细胞培养物，与对应的器官拥有类似的空间组织，并能够重现对应器官的部分功能，提供了一个高度生理相关的系统。

图2 类器官是人体器官发育及生理病理的研究利器

（图片来源：Genome Institute of Singapore）

由于人类心脏微环境的复杂性，很多动物研究的结果仍不能完全转移到人类身上。心脏类器官，也就是“迷你心脏”对于了解心脏的发育、研究先天性心脏病的治疗具有重要意义。

心脏类器官的前世今生

德国慕尼黑大学的Alessandra Moretti教授团队是是世界上第一批成功创建包含心肌细胞和心壁外层细胞（心外膜）类器官的研究人员。早在2010年，Moretti教授就描述了如何使用干细胞来创建人类心肌组织；2015年，又在如何使用干细胞生成自组织的外心包体方面有了新发现；2018年，使用单细胞转录组技术探索干细胞生成心脏组织的分子机制；2021年，使用基因编辑技术纠正了心脏病的遗传突变。

在心脏类器官领域，一直有一个悬而未决的问题，那就是多能干细胞衍生的心脏类器官无法自发形成真正的心外膜（在心脏发育和修复中具有关键功能）。而2023年4月3日发表在《自然—生物技术》杂志的论文中，Moretti教授团队解决了这个问题，再创心脏发育学研究的重要里程碑。

图3 Alessandra Moretti课题组在《自然—生物技术》上发文，展示了“心外膜类器官”

（图片来源：《自然》杂志官网）

那么，这件迷你心脏的外衣是如何产生并发挥作用的呢？这就要从以下几个方面来跟大家一起探讨。

1. 心外膜类器官是如何产生的？

为了构建更接近真实状态的心脏类器官，Moretti教授团队在之前利用人多能性干细胞形成球体的配方中，加入了可促进心外膜发育的视黄酸，随后将球体嵌入凝胶中进行3D培养。最终发现，视黄酸处理的球体除了形成心肌细胞核心，还形成了一个厚厚的包裹层（图4）。研究人员惊喜地发现，这个包裹层中含有大量表达心外膜标记物的细胞，这正是大家苦寻13年的心脏类器官的“外衣”！

图4 利用人多能干细胞产生心外膜类器官的流程模式图

（图片来源：改编自参考文献[1]）

通过进一步的优化培养，研究人员最终得到了能够显示功能性心室心肌和心外膜自组织的心脏类器官，并命名为“心外膜类器官（Epicardioid）”。

2. 心外膜类器官和人类心脏有多像？

在得到心外膜类器官后，研究人员通过单细胞测序分析了它的细胞组分，发现它和人类胎儿心外膜的细胞种类相同，都包含了间皮心外膜细胞、心外膜衍生的间充质细胞和增殖细胞。而且这个小小的类器官，竟然完美再现了人类的心室模式：致密外心肌层的动作电位复极化时间明显短于内心肌层（图5）。

图5 心外膜类器官的外心肌层（OM）和内层心肌（IM）

（图片来源：参考文献[1]）

由此可见，心外膜类器官极好地模拟了人类心脏的结构、功能和细胞复杂性。

3. 不同的心脏细胞之间如何互动？

通过对单细胞测序数据的进一步分析，研究人员发现，心外膜细胞与其他细胞类型之间存在大量的相互作用。研究人员重点关注了心外膜细胞中胰岛素样生长因子2（IGF2）和心肌细胞中胰岛素样生长因子1受体（IGF1R）这一对配体-受体的相互作用，因为这是啮齿类动物心肌致密化的主要驱动因素，但还未在人体系统中进行研究。

结果发现IGF1R抑制剂的处理显著降低了心外膜类器官中心肌细胞的分裂（图6）；而用IGF2处理没有心外膜的心脏类器官时，心肌细胞密度随着IGF2的浓度增加而增加，这表明即使在没有心外膜的情况下，IGF2也足以诱导心肌致密化。

图6 心外膜细胞IGF2和心肌细胞IGF1R相互作用促进了心肌致密化。

（图片来源：改编自参考文献[1]）

4. 心外膜细胞的“祖先”是谁？

如此重要的心外膜细胞是从哪里来的呢？在之前，人们对心外膜前体细胞的个体发育并不清楚，对人类对应物的了解就更少了。

而在这项研究中，Moretti教授通过单细胞测序结合计算生物学的方法，在时间轴上跟踪细胞轨迹最终发现，“前近心野（pre-JCF）”的前体细胞正是心外膜细胞的主要来源。而且，“pre-JCF”前体细胞在人类中具有“双能”，既能产生心肌细胞，又能心外膜细胞（图7）。

图7 谱系追踪显示“pre-JCF”前体细胞分化为心外膜细胞和心肌细胞

（图片来源：参考文献[1]）

5. 心外膜类器官能做什么？

类器官的一大作用是进行疾病模拟，在得到心外膜类器官后，研究人员也迫不及待地想要利用这个模型解决二维体外模型无法解决的问题，比如纤维化在心力衰竭进展中的关键作用。研究人员首先用血管收缩剂处理了心外膜类器官，结果引发了心肌细胞肥大，并且还使其表现出衰竭心脏的公认特征：频繁的心律失常和钙瞬变幅度降低。（图8）。

图8 血管收缩剂ET150处理心外膜类器官后，心律失常频率增加，钙瞬变幅度降低。

（图片来源：改编自参考文献[1]）

此外，研究人员还测试了心外膜类器官模拟先天性心肌纤维化的能力，他们利用来自努南综合征患者（出生时即表现严重的左心室肥厚和心肌纤维化）的诱导多能性干细胞产生了患者特异性的心外膜类器官，并在培养中发现心外膜的细胞环境确实允许与发育缺陷相关的纤维化变化。

根据这些研究发现，我们可以在临床前测试中应用心外膜类器官，确定心肌纤维化药物的作用，从而避免了试验直接作用于受试者所造成的伤害风险。

结语

某种程度上可以说，类器官是科学家解开生命奥秘的研究利器。在心脏的研究领域，心外膜类器官更是提供了一个独特的平台来解决发育生物学以及心血管医学和药物发现中的基本问题。可以预见，这个穿着外衣的迷你心脏将带来更多的发现。但在这之前，还是让我们好好锻炼保护好自己的心脏吧！

参考文献：

Meier AB, et al., Epicardioid single-cell genomics uncovers principles of human epicardium biology in heart development and disease. Nat Biotechnol. 2023 Apr 3.

来源: 中国科普博览

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