Cell重磅：首个多腔室心脏类器官，揭开人类心脏发育和缺陷，已成立公司转化

撰文丨nagashi

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

如果把我们的身体比作一台机器，那么心脏就是其核心的发动机。作为人体最重要的器官之一，只有心脏正常跳动，才可以维持健康生命，而心脏一旦停止跳动，也就意味着生命的离去。

近些年来，心血管疾病已成为人类最主要的疾病死亡原因，每年造成约1800万人死亡。与此同时，先天性心脏病（CHD）是最常见的人类发育性出生缺陷，每50名新生婴儿中就有一名患有先天性心脏缺陷。更可怕的是，目前对于先天性心脏病的治疗方法很少，因为对它出现的原因还知之甚少。

2023年11月28日，奥地利科学院分子生物技术研究所（IMBA）的Sasha Mendjan教授团队在国际顶尖学术期刊Cell上发表题为：Multi-chamber cardioids unravel human heart development and cardiac defects（多腔心脏类器官揭示了人类心脏发育和心脏缺陷）的研究论文 【1】 。

该研究培育出首个多腔室心脏类器官模型，该模型包括所有主要的心脏发育结构，揭示了相互作用的心脏腔室如何协调收缩，以及突变、药物和环境因素如何影响发育中的人类心脏的特定区域。这一模型的出现将帮助科学家们研究心脏发育及其疾病，并由此推进药物开发、毒理学研究。

在理解心脏疾病和心脏畸形的过程中，缺少合适的心脏研究模型是最大的挑战。早在2021年5月，Sasha Mendjan团队在Cell期刊发表论文 【2】 ，展示了第一个由人诱导多能干细胞（iPSC）培养来的心室类器官模型。这些自组织的心脏类器官再现了胚胎发生早期心脏左心室的发育过程。

左心室是心脏的关键腔室，负责将富含氧气的动脉血输送到全身，因此左心室也常常是成年人心脏疾病的发病部位。但仅仅模拟左心室不足以揭示先天性心脏病等其他心脏疾病的发病机制。因此，如果能开发每个心脏结构的类器官模型并将所有这些类器官整合起来，那就能得到一个像早期人类心脏一样协调跳动的心脏模型。

人类心脏的早期发育

在这项研究中，Sasha Mendjan团队首先单独开发出每个发育中的心脏结构的类器官模型，由此建立了一个人类心脏类器官平台。该平台概括了所有主要胚胎心脏腔室的发育，包括左心室、右心室、心房、心室流出道和房室管。

多腔心脏类器官模型

在一起培养左右心室和心房类器官后，研究团队惊讶地发现，电信号在这些不同的胚胎心脏腔室中“流动”——从心房传到左心室，然后传到右心室。这一过程就像是早期胎儿心脏发育一样，这也是首次在人类心脏模型中观察到这个基本过程。

这一新开发的多腔心脏类器官模型超越此前的心脏模型，不仅能研究不同心脏腔室的形状、功能和组织结构，还能研究区域基因表达差异如何导致特定的心脏腔室收缩模式以及它们之间复杂的交流。

该论文的共同第一作者Alison Deyett博士表示，随着不同心脏腔室的发育，它们自发地形成复杂的“交流”：最初，左心室发起节律引导萌芽的右心室和心房；然后，随着心房的发育，心室开始跟随心房的节律。这一过程反映了早期心脏节律的起始，而心脏正常起搏点正是位于右心房的窦房结。

先天性心脏病筛查及治疗平台

除了用于研究人类心脏的早期发育，多腔室心脏类器官还能帮助研究人员调查心脏腔室特异性缺陷。在一项原理验证中，研究团队建立了一个心脏缺陷筛选平台，在这个平台上，他们研究了已知的致畸剂和突变如何同时影响数百个心脏类器官。

用于筛选致畸剂/药物诱导心脏缺陷的多室心脏平台

沙利度胺（Thalidomide），一种免疫调节剂；以及类维生素A衍生物，一类用于治疗白血病、银屑病和痤疮的常用药物，却是两种众所周知的人类致畸剂——导致胎儿严重的心脏缺陷。

研究团队通过心脏缺陷筛选平台证明，这两种致畸剂在心脏类器官中同样引起了类似的、严重的心室特异性缺陷。此外，研究团队还发现，3种心脏转录因子基因的突变同样会导致了人类心脏发育中可见的腔室特异性缺陷。

突变导致多腔心脏类器官的腔室特异性缺陷

从这一点来看，多腔室心脏类器官可用于毒理学研究和开发具有心脏腔特异性作用的新药。例如，心房心律失常是很普遍心脏疾病，但目前还未出现有效的治疗药物，其中一个重要原因是，迄今为止还没有一个心脏模型可以模拟心脏的所有区域的协同工作方式。

论文通讯作者Sasha Mendjan教授表示，多腔室心脏类器官重现了胚胎心脏的发育过程，并能以高特异性发现对整个心脏的破坏性影响。虽然心脏缺陷很常见，同时也是流产的主要原因，但个体的起源往往是复杂且原因未知的。如今，研究团队可以通过多腔室心脏类器官同时观察多个读数指标，从而快速揭示心脏疾病的具体分子机制。

总而言之，这项发表在Cell的研究开发出首个多腔室心脏类器官模型，重现了早期心脏的发育过程，并以此为基础构建出一个心脏缺陷筛选平台。在未来，这些心脏类器官有助于科学家们深入探究心脏发育缺陷以及心脏疾病如何预防和治疗，甚至以此开发出具有进一步生长和再生潜力的“人工心脏”！

改变心脏药物开发范式

值得一提的是，Sasha Mendjan教授领导创立了一家名为HeartBeat的药物发现公司，该公司致力于开发高通量人类器官筛选平台用于心脏药物发现。该公司的技术平台基于全球首个自组织、高度可扩展的心脏类器官（Cardioids），独特地再现了人类心室的生理结构，并能够模拟药物诱导和遗传性心肌病以及心肌梗死和纤维化等疾病。基于Cardioids的筛选平台将带来更多相关的候选药物，从而显著降低心脏药物开发的时间和成本。

此外，该公司还获得这篇Cell论文中描述的多腔室心脏类器官技术的独家授权，这将进一步扩大其疾病模型组合，为发现和开发心脏疾病药物提供更多机会。

该公司在其官网上写道：我们的使命是通过融合独特的人类器官技术、硬件工程和人工智能，从根本上改变心脏药物的开发范式。

论文链接：

1. https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.034

2. https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.10.030