東京醫科齒科大學難治疾患研究所表觀遺傳學領域的石野史敏教授和李知英副教授等人組成的研究團隊，透過與山梨大學生命環境學領域的研究團隊開展聯合研究，成功開發出了利用小鼠的ES細胞培養具有心房和心室結構的心臟類器官的技術。
石野 史敏教授 難治疾患研究所 表觀遺傳學領域（中間）
李 知英副教授 同上（右）
古川 哲史教授 難治疾患研究所 生物資訊藥理學領域（左）
研究背景
近年來，業界廣泛開發了利用富潛能幹細胞（iPS細胞及ES細胞）在試管内分化心肌細胞的方法，以及透過對纖維母細胞直接進行重程式設計來培養心肌樣細胞的方法等。另外，還有報告顯示，透過對心室樣心肌細胞肌和心房樣心肌細胞肌進行仿生學組合，形成了人類心臟樣組織等。不過，由於心臟結構的複雜性，三維心臟類器官的培養一直被認爲比較困難。細胞水平的研究無法解析在細胞與組織之間的聯動機制下形成的功能，因此各種器官的類器官作爲能有效解析類比生物器官的生物體功能的工具，以及評價藥物的器官毒性的工具備受期待。
研究成果
此次研究使用小鼠的ES細胞成功開發出了心臟類器官培養技術，該技術利用FGF4作爲成長因子，利用層粘連蛋白與巢蛋白復合體作爲細胞外基質，透過構成適合心臟發育的條件，能培養出具有心房和心室結構，同時具備各種生理學和藥理學功能的心臟類器官（圖1、2）。利用該技術，可以在試管内再現小鼠心臟的發育程序，培養的心臟類器官與胎兒心臟在形態上表現出高度的相似性。
研究團隊從多個方面對心臟類器官進行了詳細的解析評估。進行基因表現（RNA-Seq）解析發現，利用小鼠ES源擬胚體（EB）分化心臟類器官時，顯示出與胎兒心臟發育相似的整體基因表現譜。在組織學解析中應答，表達了心臟組成細胞（心肌、內皮、平滑肌）構成的高階結構必不可少的蛋白質。另外，如圖3所示，還應答心室標誌物陽性心肌細胞和心房標誌物陽性心肌細胞存在於類器官中的不同區域。
利用穿透電子顯微術（TEM）進行細結構解析應答，心臟類器官中除了含有Z線的肌節結構外，還存在心肌細胞特有的閏盤結構（圖4）。有趣的是，還在心臟類器官中檢測到了對形成傳導系統至關重要的普金斯細胞等，表明心肌細胞在類器官中高度分化成熟。
在功能解析中觀察到了心臟搏動和基於Ca2+influx的心肌收縮，利用光學圖譜進行的電生理學解析觀測到了自發性興奮和膜電位。另外還應答，與生物體的心臟一樣，心臟類器官表現出心室和心房特有的電生理學特性（圖5）。
研究成果
此次研究培養的心臟類器官是優異的心臟仿生模式，可以在試管内如實類比伴隨着形態變化的心臟發育。本研究爲發揮細胞固有的自組織潛能，提供了最佳且最小限度的細胞外刺激和細胞外環境。在試管内類比了心臟在生物活體內的發育程序，是一項非常重要的成果。心肌細胞的成熟度是分化誘導的心肌實施實用化時的重要指標，本次研究培養的心臟類器官具有表示心肌細胞成熟度的T管、鉀通道分子IK1及閏盤，品質非常高。功能方面，這些心臟類器官表現出了搏動及肌肉收縮控制功能，電生理學特性方面，表現出自發性興奮和膜電位，還充分再現了生物體心臟發生的從心房到心室的興奮傳播。這些結果表明，此次的心臟類器官成熟度比較高，有望成爲檢測心臟毒性等以進行藥物安全評估的有效材料。另外，在長QT間期症候群和心律不整的冶癒以及藥物篩選等應用研究中，心臟類器官的實用性被認爲也得到提高。
論文資訊
題目: In vitro generation of functional murine heart organoids via FGF4 and extracellular matrix.
期刊: Nature Communications
URL: nature.com/articles/s41467-020-18031-5
文：JST客觀日本編輯部
