早期刺激改善了生物工程人心脏细胞的性能

研究人员现在能够通过在早期引入电刺激和机械刺激来使用诱导多能干细胞(iPSC)来形成人类成人心肌的模型。由于这种肌肉与成人心脏相似，因此与现有的组织工程心脏模型相比，它可以作为测试药物和有毒物质效果的更好模型。该研究由纽约哥伦比亚大学的科学家进行，由美国国立卫生研究院资助，今天在“自然”杂志上发表。

干细胞有可能变成许多不同类型的细胞。人体细胞一旦成熟就失去这种灵活性，这就是为什么，例如，心脏细胞不会自发地决定成为肺细胞。iPSC是取自成年人的细胞，其已经被操纵或诱导成干细胞状态。然后，研究人员能够通过使用各种化学和物理刺激将这些“空白板岩”细胞引导到不同的细胞类型中。多年来，科学家们已经能够使用iPS衍生的心肌细胞(iPS-CMs)设计心脏组织。然而，能够成功模拟成人心脏细胞复杂性的工程组织并不容易，而且直到现在还没有在实验室中实现。

“在实验室中培养的人体心脏组织显示出天然心肌的行为将对生物医学研究具有变革性，”哥伦比亚大学生物医学工程教授Gordana Vunjak-Novaković博士说。“为了达到这个目标，我们通过加速发育迫使培养的心肌通过胎儿到产后的过渡。这是通过使用早期iPS-CM并逐渐增加电诱导收缩的频率来完成的。在培养仅4周后，组织响应并显示出成体样基因表达，显着组织的超微结构，以及在成熟心肌中看到的许多功能特征。

Vunjak -诺瓦科维奇和她的团队已经在可靠地改造人类的心脏取得显著进步的肌肉，模仿成人的心肌。他们发现，等待向iPSC引入物理刺激(如电流和机械刺激)的时间越长，细胞的反应就越少。该团队推断，他们越早引入机电刺激，效果就越大。

他们在三种不同情况下测试了两种类型的iPS-CM：早期阶段(12天龄细胞)和晚期阶段(28天龄成熟细胞)。第一个测试条件是无任何刺激的对照。第二个是持续电刺激三周。第三个是两周逐渐增加的电刺激水平，然后是一周的恒定强度刺激。第三种情况模仿了人类心脏在胎儿发育的最后几周和出生后经历的变化。

研究人员发现，第三种方案是在早期iPS-CM中引入强度增加的物理条件，在实验室培养仅4周后帮助它们形成类似成人的人类心脏组织。

“由此产生的工程组织与功能性人体组织的相似性确实是前所未有的，”国家生物医学成像和生物工程研究所(NIBIB)Tissue Chips计划主任Seila Selimovic博士说。“在如此短的时间内培养成熟心脏组织的能力是使我们更接近拥有可靠的人体组织模型进行药物测试的重要一步。”工程化组织模仿人类心脏越好，它们就越能预测药物或环境因素对患者实际心脏组织的影响。拥有可靠的人体组织模型将有助于使药物开发更快，更安全，更便宜。