比较不同细胞组成的心脏类器官

NEXEL、首尔国立大学(Seoul National University)等团队从人诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)建立多细胞心脏类器官,并与主要由心肌细胞构成的类器官比较,检验组织组成对缺血损伤和纤维化表型的影响。

11 个分化批次的流式检测显示,多细胞模型中,心肌肌钙蛋白 T(cTnT)、成纤维细胞相关标志 CD90 和内皮相关标志 VE-cadherin 的阳性比例平均约为 51%、25% 和 14%。对照模型的 cTnT 阳性比例约为 92%,其他两类标志的阳性比例较低。

免疫染色和基因表达检测进一步显示,两种模型的细胞分布不同。多细胞类器官表面能观察到 VE-cadherin 阳性区域,内部同时存在心肌和成纤维细胞相关标志。

化学模拟的损伤引起细胞死亡和标志物释放

团队用氯化钴和无葡萄糖培养液模拟缺血相关应激,随后改用含较高葡萄糖和钙的培养液,观察 72 小时的再灌注样损伤。两种模型均出现凋亡,多细胞类器官中的变化更明显。

损伤后的多细胞类器官出现肌节结构破坏,组织内心肌肌钙蛋白 T 和 I 的表达下降。培养液中的心肌肌钙蛋白 I、肌红蛋白及肌型肌酸激酶在 24 小时开始升高,72 小时达到本次观察的最高水平。

钙成像还显示多细胞模型出现更高的基础和峰值胞内钙水平。作者结合钙回收相关测量和线粒体通透性检测,讨论损伤后钙调节与线粒体功能的改变。

不同类器官在损伤后的肌节结构、心肌蛋白及培养液标志物变化。

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不同类器官在损伤后的肌节结构、心肌蛋白及培养液标志物变化。(Myeongjin Song et al. / Cell Death & Disease, 2024, Figure 5;CC BY 4.0)

损伤后出现胶原积累及电活动异常

在损伤模型中继续加入转化生长因子 β1,培养 7 天后,多细胞类器官的胶原积累更明显。免疫染色、蛋白检测和 Masson 染色共同显示纤维化相关变化。

多电极阵列记录显示,多细胞模型的搏动频率升高、传导速度减慢,经频率校正的场电位时程延长。视频分析则观察到收缩减弱和节律不规则;对照类器官也有收缩降低,但节律较规则。

转录组分析发现损伤及纤维化组中的细胞外基质、钙调节和心脏重塑相关通路富集,与前述结构及功能表型相互补充。

多细胞模型呈现损伤与纤维化相关表型

这项研究的验证对象是类器官中的损伤和功能表型,尚未进行治疗药物的疗效比较。作者提出,该模型可为心脏疾病机制和后续药物研究提供基础。

模型尚缺少周细胞、血管平滑肌和免疫细胞等组分。当前再灌注样损伤由培养条件模拟,后续需要继续补充细胞组成及更完整的组织环境。

来源与延伸阅读

  1. Modeling acute myocardial infarction and cardiac fibrosis using human induced pluripotent stem cell-derived multi-cellular heart organoids. Cell Death & Disease. 2024. doi:10.1038/s41419-024-06703-9 ↗