人多能干细胞（hPSC）具有自我更新和分化的潜能，在适宜的条件下几乎可以体外扩增和分化为任何成年组织细胞类型，用于人体各器官正常发育和疾病进展的研究，也是细胞疗法最有利的来源。

目前广泛应用于临床研究的hpsc主要有胚胎干细胞（hESCs）和诱导多能干细胞（hiPSCs），研究人员已经为肠、脑、肾等器官建立了早期组织发育的类器官模型，但其在心血管领域的进展有限，针对心脏，尤其是心脏发育形态研究的类似方法仍较为缺乏。

近日，来自德国汉诺威医学院的研究人员在《Nature Biotechnology》上发表了题为Human heart-forming organoids recapitulate early heart and foregut development的研究成果，其开发了一种方法，利用hPSC定向分化生成了复杂且高度结构化的三维心脏形成类器官（HFO），可用于研究心脏的早期发育模式和前肠的发育。

https://doi.org/10.1038/s41587-021-00815-9

心脏是胚胎中形成的第一个功能器官。它起源于脏壁中胚层的位于胚胎中线两侧的两个心原基区域，与发育中的前肠内胚层紧密靠近相互作用决定着心脏的发育。然后心原基细胞发育融合到由心肌层和心内膜组成的心管，心管与周围的间充质陷入围心腔后，发育出心脏的最外层即心外膜，形成初始的心室结构。

前期研究发现，自由悬浮的hPSC聚集细胞团可经CHIR（WNT途径激活剂）和IWP2（WNT途径抑制剂）处理，在响应经典的WNT信号通路后有效分化为高纯度的心肌细胞。基于此，研究人员开发了一种建立心脏形成类器官模型的方法，其将一定数量的hPSC聚集细胞团嵌入基质胶中，先后使用CHIR17和IWP2诱导处理，通过逐渐分化，14天后获得了稳定的直径约2mm的三维心脏形成类器官（HFO）。

HFO概括了早期心脏发育的模式

获得HFO后，研究人员对其能否概述早期心脏发育模式进行了验证。Nkx2.5是心脏发育密切相关的转录因子，参与右侧环化、心腔分化等心脏形成过程，其融合绿色荧光基因形成的报告因子NKX2.5–eGFP，可以监控心脏的发育过程。

研究人员观察到，在分化第10天时，NKX2.5–eGFP衍生的HFO即形成NKX2.5-eGFP阴性的内核（IC）和NKX2.5-eGFP阳性的密集心肌层（ML），并进一步被松散的NKX2.5–eGFP阳性和阴性的外层细胞（OL）所覆盖。同时，研究人员也通过免疫荧光染色在HFO中检测到覆盖ML的心肌细胞和ST样细胞以及包围在最外层的组织松散的间充质细胞。此外，CD31的免疫荧光和染色透射电子显微镜（TEM）也检测到血管样结构（VLs）和心内膜样细胞的形成。这均表明，获得的HFO具有早期心脏发育的特征。

CD31染色显示VLs和心内膜样细胞的形成

在检测HFO中的IC时，研究人员观察到IC还具有一些形态不同的腔，而腔内有砖样上皮细胞。考虑到中胚层衍生物的密切发育起源，其猜测这些腔可能是内胚层。经过SOX17，SOX2和HNF4α等信号标记物的染色，研究人员验证了HFO中也存在着不同的前肠内胚层组织。并进一步通过微阵列分析和单细胞转录组测序确认了HFO中还存在前-后内胚层的独特模式。

SOX17，SOX2和HNF4α的差异表达揭示了不同的前肠内胚层组织的形成

最后，研究人员构建了NKX2.5-KO hESC（敲除了NKX2.5）分化的HFO，发现其也会形成类似于小鼠中NKX2.5缺失所导致的心肌细胞粘附减少和心肌肥大表型，更加的验证了该HFO在模拟早期心脏发育过程中的精确性。

简而言之，研究人员建立了一种利用hPSC定向分化三维心脏形成类器官的稳定方法，并验证了其可精确模拟早期心脏发育模式，或可广泛应用于体外研究心脏遗传缺陷和前肠的发育。

参考资料：

[1]https://www.nature.com/articles/s41587-021-00815-9