含血管细胞心脏三维组织的炎症功能测量及两种内皮素拮抗剂比较
含血管细胞的心脏三维组织用于检查炎症相关功能变化,并比较内皮素受体拮抗剂。原创概念图。(图示:J&E Bio)(J&E Bio)

从同次预分化培养多种心脏细胞

药物筛选要模拟心脏炎症相关功能异常,模型需要包含心肌之外的细胞。澳大利亚 QIMR Berghofer 医学研究所(QIMR Berghofer Medical Research Institute)等团队研究人心脏类器官中的细胞相互作用,并建立一个从同次预分化培养出多种心脏细胞的版本。

研究的优化路线先进行心脏定向预分化,再让心肌及其他细胞在 96 孔体系中形成受几何约束的三维组织。培养阶段依次调整无血清、成熟和过渡培养条件,加入成纤维细胞生长因子 2(fibroblast growth factor 2,FGF-2)与血小板源性生长因子 BB(platelet-derived growth factor BB,PDGF-BB),以支持内源血管相关细胞。FGF-2 单独使用时,内皮网络增加但心肌标志强度降低;与 PDGF-BB 联合,则增加内皮网络同时保留相近的心肌标志和收缩力。

图 5 的路线从分化起点到观察终点为 28 天。其中,第 15 天开始形成类器官,随后经历 2 天无血清形成期、5 天成熟培养和 6 天过渡培养。

血管网络有成熟标志,结构仍受限制

优化条件在 HES3、AA 和 H9 3 株人多能干细胞系中形成内皮网络。研究以内皮与心肌标志的相对染色面积评价其分布,观察不同细胞系所得组织的表现。

组织图像显示,表面有 WT-1 阳性细胞层,内部有排列的心肌细胞、成纤维细胞,以及与周细胞相邻的内皮结构。部分 NFATc1 阳性细胞被作者视为可能的心内膜相关群。内皮还显示血管性血友病因子及 Ulex europaeus agglutinin I(UEA-1)染色等成熟相关特征。

作者同时指出,这些血管样结构的结构成熟仍不足,未来可能需要更大的组织结构或灌流设计。当前平台主要追求可重复、适合筛选的组织。固定几何形状也限制它呈现先天性心脏形态缺陷的能力。

非感染性炎症刺激使松弛变慢

团队用细胞因子风暴(cytokine storm,CS)样刺激检查模型。刺激组合由干扰素 γ、白细胞介素-1β 与合成双链 RNA 类似物 poly(I:C) 组成,属于非感染性炎症条件。原文报告,收缩力保持,但组织从峰值收缩到松弛所需时间增加。

功能测量根据培养支柱的偏转计算主动收缩力、搏动频率及松弛参数。Tr50 指从峰值到完成 50% 松弛的时间,直接反映这套组织测量的松弛过程。炎症实验先按处理前功能标准化,再与对应对照比较。

在无血清优化版本中,3 株细胞系均可显示炎症相关松弛延迟,即使此前条件下某些实验的响应较弱。刺激也降低搏动频率,但原文分析认为收缩与松弛时长的变化并不依赖这一频率改变。

两类刺激区分收缩增强与松弛延迟

团队继续比较内皮素-1(endothelin-1)与去甲肾上腺素(noradrenaline)。持续内皮素-1 刺激增加松弛时间,同时增强收缩力和搏动频率。去甲肾上腺素也增强收缩力和搏动频率,却没有使松弛时间延长。

研究还查看成年人的心脏细胞表达资料,为选择药理比较对象提供依据。内皮素-1 主要在内皮细胞中表达,内皮素 A 型受体则在周细胞和平滑肌细胞中表达较高。作者由此进一步考察内皮素信号与组织功能的关系。

内皮素-1 单独刺激的松弛比较包含 11–23 个类器官、2 次实验;两类配体的收缩与频率比较每组为 7–14 个类器官、2 次实验。

内皮素受体拮抗剂缩短基线及炎症条件下的松弛时间

波生坦(bosentan)与西他生坦(sitaxsentan)均降低模型的基线松弛时间。在 CS 条件下,两药也随浓度增加而降低松弛时间,支持作者关于内皮素信号参与模型功能异常的解释。这里的药物效应以组织松弛参数衡量。

图 5K 各组包含 4–24 个类器官,其中最高药物浓度的炎症共处理组覆盖 3–4 次实验。基线比较两药均使用 10 μM;炎症条件下波生坦测试 1、3、10 μM,西他生坦测试 3、10 μM。

团队进一步加入人胎儿心脏成纤维细胞,未见功能增强,反而观察到收缩表现下降和心律失常。作者因此强调,筛选模型需要同时考虑各类细胞的比例与状态。

来源与延伸阅读

  1. Vascular cells improve functionality of human cardiac organoids Cell Reports. 2023. doi:10.1016/j.celrep.2023.112322 ↗