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谈到心脏，我们通常会想到一个强大的、不知疲倦的泵，它不断地将血液输送到我们的身体各个部位。但是，你是否知道，心脏也能在体外培养出来呢，这就是心脏类器官。 今天小学社就要给大家带来一篇关于心脏类器官的综述文章。在这篇文章中，将介绍人类心脏类器官的构建方法、应用和未来发展方向，让我们一起来探索这个令人兴奋的领域吧！ 
心血管疾病是全球主要的健康问题，然而目前的治疗方法并不理想。传统的细胞培养和动物模型无法全面反映人类心脏的复杂性和病理过程。因此，亟需一种能够模拟人类心脏组织结构和功能的三维心脏模型，用于心血管疾病的研究和药物测试。 类器官是一种体外培养的由干细胞衍生而来能够模拟器官结构和功能的三维组织。近年来，类器官技术在模拟各种器官和疾病方面取得了很大的进展。然而，由于人类心脏细胞的多样性和微环境的复杂性，构建和应用人类心脏类器官（hCO）仍然存在一些挑战。本综述介绍了hCO的研究现状、应用领域以及存在的局限性和未来的发展方向。 
1. hCO类型 人类心脏是人体结构和功能最复杂的器官之一，由多种不同类型的细胞组成，其中心肌细胞占大多数。心肌细胞与血管系统相互作用，并被复杂的细胞外基质（EMC）网络包围。这个网络中含有各种蛋白质和分子，提供细胞所需的支持和信号传递。hCO应该在体内重现自然心脏环境的形态、结构、代谢和功能，以及复杂的微环境。根据构建hCO的方法本文将心脏类器官分为工程化心脏组织（EHT）和自组装心脏类器官两类。 
体外EHT旨在模拟天然心脏的结构和功能。通过结合工程方法和生物材料，EHT利用干细胞培养多种心脏细胞类型，使其共同生长并种植在特定装置上，形成符合心脏生理测试需求的三维结构。早期，EHT 可用于疾病建模，但无法再现心脏的复杂形态和发育过程，而且缺乏多种心脏细胞类型。近年来，EHT经过改进，产生了更加复杂和类似于天然心肌细胞的结构。 EHT是一个理想的模型，可用于分析心脏的收缩和电生理特性。它可以用于疾病表型模拟、药物测试、心脏发病机制研究和治疗应用。然而，EHT无法复制自然心脏的早期发育模式，并且由于复杂的构造和需要特殊设备，其应用在高通量研究上的限制较多。 
自组装心脏类器官通过诱导细胞聚集体分化自组装成心脏结构可分为自组装胚胎类器官和自组装心脏谱系特异性心脏类器官。 自组装胚胎类器官可以反映胚胎心脏的结构和早期发育模式，并探索心脏发育与前肠内胚层和外胚层的共同发育关系。研究人员利用早期确定的中胚层祖细胞生成多谱系类器官，保持了细胞的复杂性，揭示了人类心脏和肠道发育的关键结构特征。然而，肠道器官的快速发育限制了多谱系类器官心脏形态发生的程度。为了创建更复杂且高度结构化的3D心脏形成类器官，研究人员使用了人类诱导的多能干细胞（hiPSC）聚集物和双相WNT通路。这种类器官主要由前肠内胚层、成纤维细胞、心肌细胞和内皮细胞组成，模仿了人类心脏的早期发育，但缺乏主要结构。胚胎类器官中的非心脏细胞可用于研究前肠和心脏共同发育的机制，但心室和导管的缺失以及非心脏细胞的存在使得分析心脏特异性生理功能具有挑战性。 谱系特异性心脏类器官是只包含心脏组织细胞的类器官，可以在体内自主形成和转化结构。它们使用多能干细胞形成，可用于研究特定器官的模式和形态发生。现有研究成功创建了谱系特异性人类心脏模型，具有类似于早期心室发育的腔室状结构，并确定了控制心脏自组织和管腔发育的信号机制。此外，本研究中使用的方法可以很容易地构建了具有类似天然心脏结构和功能的hCO，并在移植到体内后产生血管化。这些模型有助于研究人类心脏的发育和疾病机制。 2. 构建hCO的方法 构建hCO的方法大致可分为三大类：组织工程法、自组织法和3D打印法。（图1） 
图1 
组织工程法利用组织工程技术和生物材料来创建三维组织和器官的模型。主要由三个部分组成：种子细胞、支架和活性因子。 三维支架是组织工程的重要特征，它使用外源性基质模拟天然心脏EMC。心脏ECM在维持结构完整性和调节细胞功能方面起着关键作用。为了模拟天然ECM，支架生物材料应具有生物相容性、弹性和机械强度，并且不干扰细胞增殖和分化。常用的支架材料包括水凝胶、脱细胞ECM和合成聚合物（表1）。 水凝胶具有良好的生物相容性和扩散特性，可以被细胞均匀播种。dECM是从脱细胞组织中提取的，适用于心脏生物组织工程的支架，具有良好的生物相容性和模仿天然组织微环境的特点。合成聚合物也常用于构建工程心脏组织，具有良好的生物可降解性和可控的物理性能。利用蛋白质和生长因子的结合以及短肽的添加可以改善合成聚合物的细胞粘附性。 目前体外培养的大多数人多能干细胞来源的心肌细胞(hPSC-CM)发育和功能不成熟，在结构、代谢和基因表达方面与成熟心肌细胞存在明显差异。之前的研究表明，通过外源刺激，如电刺激和机械拉伸（图2），可以促进心脏细胞和组织的成熟。这些方法可以增强心肌细胞的结构和功能特性。此外，预排列、微流控芯片和富含脂肪酸的培养基也有助于心肌细胞的成熟。然而，EHT不能完全概括成人心脏组织的解剖结构，并且不适用于研究疾病模型。此外，构建这些方法所需的材料和设备限制了其可靠性和可预测性。 
表1 
图2 
自组织方法使用高分化潜力的细胞和发育信号分子产生hCO已经成为可能。通过引导干细胞进入心脏中胚层通路，自组织产生了比共培养方法更多样化的细胞群体，促进了更多生理相关的细胞相互作用，以获得心脏的形状和功能。一些研究已经成功地产生了类器官，表现出类似于人类胎儿心脏组织的特征（图3）。 然而，自组织方法仍面临一些挑战，如自组织方法不统一，无法精确控制细胞比例、整体组成和组织结构，缺乏支撑材料和三维结构，以及组织和细胞的成熟程度不够。因此，还需要进一步的研究来解决这些问题，并改进自组织方法，以更好地模拟和研究心脏的发育和疾病。 
图3 
3D生物打印是一种逐层制造技术，可以通过精确控制组织结构和细胞分布来模拟心脏的复杂几何形状。使用3D生物打印可以制造心脏组织结构，如心脏瓣膜、血管和心肌。这些打印出来的心脏类器官表现出与真实心脏相似的功能，如同步收缩和动作电位传播（图3）。 总体而言，生物3D打印技术是一种多功能和强大的方法，可以构建具有人类心脏结构、机械和生物特性的组织。然而，3D生物打印仍然面临一些挑战。首先，价格昂贵，无法大规模生产。其次，大量细胞的需求限制了打印大型组织的能力。另外，现有的3D打印方法还不能同时打印外部几何形状和内部微观结构。因此，仍需要进一步改进方法和解决技术上的限制，以实现更好的模拟和研究心脏的发育和疾病。
图4
3. hCO的应用 随着hCO技术的快速发展，hCO模型日趋成熟和复杂，这不仅有助于我们更好地探索心脏和心脏疾病发展的奥秘，也促进了其在药物筛选、疾病建模和器官移植等方面的应用。（图5）
图5
心脏毒性是导致药物退出临床试验和市场的重要原因之一。传统的药物心脏毒性测试方法存在局限性，而人体来源的类器官（hCO）模型可以更准确地模拟天然心脏的微环境。近期的研究已经展示了hCO在药物筛选和心脏疾病建模方面的潜力。同时，多器官芯片技术也被用于模拟器官间的相互作用，如心脏和肝脏的毒性反应。尽管hCO距离天然心脏还有差距，但通过提高类器官与天然心脏的相似性以及探索其与其他器官的相互作用，可以提高药物筛选的可靠性。
研究疾病机制是个复杂的过程，需要运用多种技术来确定可能的靶点并检验假设。多细胞hCO可用于分析细胞间相互作用的发病机制，从而为疾病研究提供帮助。 人类心脏疾病分为遗传性和非遗传性疾病。遗传性心脏病是由携带基因组突变的CM引起的，使用hCO作为遗传疾病的模型可以更好地了解这些疾病的病理生理学和遗传起源。研究人员还发现一些特定基因突变会对心肌功能产生影响。此外，CRISPR系统可以被用来修复这些突变，恢复正常的心肌功能。 非遗传性心脏病的发展受到饮食、器官相互作用和衰老等因素的影响。常见的非遗传性心脏病包括心肌梗死、心力衰竭和心脏肥厚。建立类器官模型可以模拟心肌梗死过程和心力衰竭的特征。然而，目前的模型仍需要改进，以更准确地模拟免疫细胞和成熟心肌细胞在心脏疾病中的功能。
心肌梗塞和心力衰竭是致命疾病，但心肌细胞的再生能力有限。传统的心脏移植存在供体不足和手术风险，因此需要寻找替代方案。尽管同种异体移植、干细胞和心肌细胞注射等再生策略在动物模型中显示出潜在治疗效果，但仍然存在健康组织供体不足、免疫排斥、细胞清除快、与宿主整合效率低等问题。类器官技术可能是解决之道。 心脏补片是一种薄片，由心肌和其他细胞构成，可植入支架或相互连接形成心脏补片。这些补片在动物模型中显示出良好的存活和血管化。然而，困扰着补片应用的问题包括预制血管网络尺寸小、血流缓慢、移植物厚度不足、缺乏机电耦合以及传导速度和力测量的挑战等。现有的技术可以通过小孔输送植入心脏贴片，但还需要进一步研究。此外，目前心脏贴片的植入主要限于动物模型，对于人类的应用还需要更多的研究。
心脏类器官除了用于药物筛选、疾病模拟和再生医学外，还可以用于研究胚胎发育生物学、基因编辑等。未来还有可能为器官移植提供特定患者相关的移植来源。
心脏类器官(hCO)是一种有前景的三维器官模型，可用于研究心脏发育生物学、基因编辑等。尽管发展滞后，但目前的构建方法仍有待优化。现有构建方法缺乏完整成熟的血管化，限制了hCO的大小和长期存活时间。此外，现有的构建方法缺乏标准化和可重复性，成本较高且可能损害组织的形态。未来可通过借鉴其他类器官构建方法，添加心脏发育所需的信号和激素，来构建更精确的hCO。随着类器官技术的发展，更准确的hCO模型有望推动心脏领域的研究进步。 参考文献 Yang Z, Zhang Y, Wang J, Yin J, Wang Z, Pei R. Cardiac organoid: multiple construction approaches and potential applications. J Mater Chem B. 2023 Jul 21. doi: 10.1039/d3tb00783a. Epub ahead of print. PMID: 37477533. |
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