Nat Commun：跳动的大块儿头“心脏补丁”诞生了！
2017-11-30 佚名 中国生物技术网
美国杜克大学的生物医学工程师发明了一种功能完善的人造心脏肌肉。它的大小足以用于修复心脏病患者的心脏损伤。这项成果使人类朝着修复人类坏死心脏肌肉的终极目标迈进了一大步。该研究于2017年11月28日发表在《Nature Communication》期刊的在线版本上。
美国杜克大学的生物医学工程师发明了一种功能完善的人造心脏肌肉。它的大小足以用于修复心脏病患者的心脏损伤。这项成果使人类朝着修复人类坏死心脏肌肉的终极目标迈进了一大步。该研究于2017年11月28日发表在《Nature Communication》期刊的在线版本上。
杜克大学的生物医学工程博士生Ilya Shadrin是该研究的第一作者，他说：“目前，几乎所有的治疗方法都是以减轻心脏已经出现的损伤为目的，但是没有方法能够替换缺失的心肌，因为一旦心肌死亡，它将不再重生。我们可以利用在体外培养的组织来代替失去的心肌。”
与某些人类器官不同，在心脏病发作之后，心脏组织不能再生。死亡的心肌会被疤痕组织替换掉，而疤痕组织是无法传输电信号的，也无法收缩，而这两个因素对于平顺且有力的心脏跳动是必需。而最终因此导致的疾病是心脏衰竭，全世界有1200万患者受此影响。人类迫切需要新的疗法来防止心衰及其带来了严重并发症。Shadrin和杜克大学的生物医学教授Nenad Bursac发明的这种疗法就是其中之一。
当前的临床试验正在测试将干细胞注入到受损部位从而修复受损心肌的方法。干细胞来自于骨髓、血液或心脏自身。虽然这种方法似乎取得了某些积极的作用，但是它的机制仍然没有被完全了解。注入的干细胞中只有不到1%存活下来并存在于心脏中，成为心肌细胞的就更少了。
而这种“心脏补丁”则可以移植到坏死心脏肌肉上，并且长时间保持活性，为心脏的收缩提供更强的动力，也为心脏电信号的流通提供更平顺的途径。这些“心脏补丁”还会分泌酶和生长因子，可以使尚未坏死的组织得到修复。
然而，让这种方法奏效的话，“心脏补丁”必须足够大才能覆盖受影响的组织。它还必须像先天的心脏组织一样强壮，具有电活性，否则就会导致严重的心律失常。
这是首个满足这两个标准的心脏补丁。Bursac说：“培养个体的心肌细胞是非常司空见惯的事，但是人们一直关注于用于药物开发的小型组织。培养如此大体积的组织是在过去没有做过的事，这需要很多的工程智慧。”
培养心脏补丁的细胞来自于人类多能干细胞，这种干细胞可以分化成为身体中任何种类的细胞。Bursac和Shadrin成功地利用多种不同的人类干细胞系培养心脏补丁，包括胚胎干细胞，以及诱导多能干细胞。
图像来源：《Nature Communication》
这些干细胞可以培养出多种心脏细胞：心肌细胞，负责肌肉收缩；成纤维细胞，为心脏组织提供结构框架；内皮和平滑肌细胞，形成血管。研究人员将这些细胞以特定的比例放入胶状物质中，这些细胞就能够自我组织并成长成为具有功能的组织。
该团队花费了数年的时间，才找到了使组织长大的正确的细胞组合、支撑结构、生长因子、营养和培养条件。每个容器和步骤都要仔细考虑，从头设计。而将这些细胞结合在一起的关键是要一点一点的“摇摆”。
Shadrin说：“轻轻地晃动样本，改善它们与营养物质的接触是极其重要的。相比于静置的培养样本，摇晃的样本取得的结果好上三到五倍。”
这项研究对过去的心脏补丁进行了改善。过去的补丁在1至4平方厘米之间。他们这次成功地获得了16平方厘米的心脏组织，有5至8个细胞的厚度。测试表明，这个补丁中的心脏肌肉功能齐全，与正常的健康成年人心脏的电学、机械、结构特性非常相似。
Bursac说：“做到这样太难了，随着组织越长越大，就越维持它的特性。使这些组织在五星期的时间内达到成年人心肌的成熟度，同时还要使其具有通常需要数年才能发育出来的特性，也是非常难的。”
Bursac 和Shadrin发现，这些存活下来的心脏补丁已经血管化，在植入到小鼠心脏中后仍然能够维持功能。然而，如果要替换人体坏死的心脏肌肉，那么还需要得到比该研究中更厚的组织。为了长得更厚，这些组织需要血管化，所以内部的细胞才能够得到足够的氧气和营养。研究人员们还需要弄清楚如何将心脏补丁与现有的肌肉完全地融合在一起。
图像来源：《Nature Communication》
Shadrin说：“完全融合非常重要，不仅仅是为了提升心脏的机械收缩能力，还为了确保电波可以平顺地通过，使心率不齐的风险最小化。我们正在对此展开研究，但是目前为止，我们首先对取得如此大体积的心脏组织表示高兴。”
该研究是美国国立卫生研究院所资助的一项为期7年，总经费860万美元的研究的一部分。有了大型心脏补丁之后，Bursac的团队正在与阿拉巴马大学的研究人员合作，开发能够成功将心脏补丁与猪心脏结合的方法。威斯康星大学麦迪逊分校的另一个研究团队正在开发改善的干细胞，用于培养组成心脏补丁的主要细胞种类，他们希望使人体对这些人造组织的免疫反应降到最低。
原始出处：Ilya Y. Shadrin, et al. Cardiopatch platform enables maturation and scale-up of human pluripotent stem cell-derived engineered heart tissues. Nature Communications, 2017.
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学习了谢谢分享!!
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