多腔室心脏类器官平台揭示心脏发育与疾病机制

撰文 | 十一月

先天性心脏病（Congenital heart disease ，CHD）是最常见出生发育缺陷，并且会导致胚胎和新生儿的死亡【1】。先天性心脏病会影响胚胎心脏中的多个区域，比如流出道（Outflow tract，OFT）、心房、心室、房室管等等。不过目前为止，超过56%的先天性心脏病基础病因还尚不清楚。然而，因为人类胚胎心脏难以获取，也涉及到伦理道德问题，在体外模型中不同心脏房室对于基因突变、药物以及环境因素的影响无法被真实捕捉到。因此很难对先天性心脏病的形成机制进行解析。

近期，奥地利IMBA研究所 Sasha Mendjan研究组在Cell上发表了文章Multi-chamber cardioids unravel human heart development and cardiac defects，通过建立多房室心脏类器官平台，能够模拟包括右心室和左心室、心房、流出道、房室管结构，利用该平台可以揭示信号通路影响，并剖析基因突变、药物等在人类心脏中引起先天性房室特异性缺陷的机制。

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为了对人类心脏发育系统进行模拟，需要对体内心脏部署原则进行全面模拟。心脏结构主要来源于三个特定的心肌细胞谱系祖细胞群。第一生心区（First heart field，FHF）引起左心室的发育，第二生心区前侧aSHF会发育成右室和大部分流出道，第二生心区后侧则会形成心房以及房室管。这些结构的发展是非常精妙的，该复杂而动态的过程是由WNT、Nodal/Activin、BMP控制下游特异性转录因子所调控的。

为此，作者们通过使用WNT抑制剂等分别高通量形成不同的心肌细胞谱系祖细胞群（图1）。进一步地，作者们对左心室、右心室、房室管、流出道以及心房心脏类器官亚细胞类型以及与对应发育阶段进行进行单细胞RNA-seq的比较。作者们发现所建立的心脏类器官具有不同房室特异性心肌细胞身份，为早期心脏发育特化机制提供了宝贵的研究平台。

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图1 心脏类器官构建平台

心脏在发育过程中也需要保持功能。因此，作者们对所建立的心脏类器官中的5种不同细胞类型进行功能鉴定。作者们通过GcaMP报告因子追踪Ca2+的特征，发现每种细胞类型具有各自的特征。所建立的心脏类器官中的电化学信号也能够表征胚胎中的特征，从而使得对早期心脏发生发育的功能研究成为可能。

之后，作者们进行心脏类器官多种细胞类型进行多腔室整合。心脏类器官在发育第3.5天的时候可以通过电化学连接整合进行共发育，并在第6.5天开始以协作的方式进行心脏收缩。此时多腔室的心脏类器官可以产生电生理信号。

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图2 心脏类器官多腔室整合

之后，作者们在多腔室心脏类器官中对区室特异性缺陷基因突变进行检测。作者们构建了几种转录因子敲除型多腔室类器官，其中包括ISL1、TBX5以及FOXF1。举例来说，ISL1突变会造成流出道以及右心室功能异常，也会导致心房部分缺损，最终在小鼠胚胎发育E10.5天导致小鼠死亡。作者们发现在ISL1-KO的多腔室类器官中能够模拟相似的缺陷。

之后，作者们利用该平台对多种可能会导致先天性心脏病的致病原比如药物、毒素、代谢物等进行大规模筛选。该平台可以对多种药物导致心脏发育畸形、心律失常的影响进行早期识别，同时也能够对治疗药剂的作用进行筛选。

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图3 工作模型

总的来说，作者们的工作通过建立具有不同细胞类型的心脏类器官，并将多腔室结构进行整合从而形成具有多重结构的心脏类器官平台。该可以对心脏发育缺陷基因突变进行筛选，也可以对药物等进行筛选，为心脏早期发育缺陷提供了新的研究资源。

原文链接：

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

制版人：十一

参考文献

1. van der Linde, D., Konings, E.E.M., Slager, M.A., Witsenburg, M., Helbing, W.A., Takkenberg, J.J.M., and Roos-Hesselink, J.W. (2011). Birth prevalence of congenital heart disease worldwide: a systematic review and meta-analysis. J. Am. Coll. Cardiol. 58, 2241–2247. https://doi.org/10. 1016/j.jacc.2011.08.025.