3 周培养改善心肌贴片的功能

杜克大学(Duke University)团队在 Nature Communications 报道人干细胞来源工程心肌贴片。研究以诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)来源心肌为主,并用其他胚胎干细胞系检验模型的可重复性。

细胞包埋在基质中,形成带柔性框架的薄组织,采用漂浮动态培养。第 1 周至第 3 周,总收缩力由约 1.2 mN 升至 3.9 mN,按横截面积归一化的收缩力由约 2.9 升至 13.3 mN/mm²。

动作电位在组织内均匀传播,第 3 周传导速度约为 25 cm/s。研究另比较培养液切换时机,发现有利于收缩力的条件与有利于传导的条件并不完全一致。

降低起始密度后,单个细胞与组织功能改善

团队把标准小贴片的起始细胞数从约 100 万减至 50 万。3 周后,低密度组织更薄、单位面积内细胞更少,细胞大小和成熟相关结构则增加。

50 万组的总收缩力略低于 100 万组,但按横截面积归一化的收缩力更高,分别约为 22.4 和 17.7 mN/mm²。传导速度也提高,动作电位时程的下降趋势未达到统计学显著。

组织中的肌节更规则,多项成熟相关基因与蛋白增加。不过,部分高级结构只出现在少量细胞中,力—频率关系也尚未完全达到成人心肌状态。

低、高起始细胞密度贴片的结构、归一化收缩力及电传导比较。

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低、高起始细胞密度贴片的结构、归一化收缩力及电传导比较。(Ilya Y Shadrin et al. / Nature Communications, 2017, Figure 3;CC BY 4.0)

扩大面积后,总收缩力增加且电传导保持稳定

在相同平台上,研究把贴片边长从 7 mm 扩大至 15 mm 和 36 mm。三种尺寸在 3 周培养后均可同步收缩,传导速度和动作电位时程没有显著差异。

扩大尺寸时总收缩力升高,三种贴片按横截面积归一化的收缩力相近,说明本次扩大组织后保留了原有力学性能。

成熟和尺度验证为进一步应用建立基础

研究把组织面积、细胞密度、培养条件与功能测量一起比较,验证了平台在不同干细胞系和尺寸下的表现。这些基础性能与后续药物评价及心肌修复研究相关。

作者仍把完善成人样成熟列为后续工作,部分成熟超微结构只在少量细胞中出现。

来源与延伸阅读

  1. Cardiopatch platform enables maturation and scale-up of human pluripotent stem cell-derived engineered heart tissues. Nature Communications. 2017. doi:10.1038/s41467-017-01946-x ↗