編者按
湖北大學生命科學學院院長張冬卉教授是環(huán)特生物院士專家工作站專家，長期致力于以人誘導性多能干細胞分化來源的心肌細胞等功能細胞為研究對象，通過開發(fā)新型技術(shù)方法，構(gòu)建心肌微器官，并基于此研究心肌病致病機理，開發(fā)針對心肌梗死、心律失常、心衰的新型治療方案。
今天，我們特別介紹一項張教授于2022年10月11日發(fā)表在《Cell Discovery》的近期研究——Generation of high-performance human cardiomyocytes and engineered heart tissues from extended pluripotent stem cells，該研究利用人擴展多能干細胞（EPSC）誘導出心肌細胞，并測試了這種新型來源的心肌細胞的性能，為心臟相關(guān)研究提供了新模型。
一、 研究背景
對于心臟疾病建模、藥物篩選和細胞治療而言，一個有效的體外模型至關(guān)重要，但供體人心肌細胞卻非常稀缺，因此人胚胎干細胞（ESCs）和誘導性多能干細胞（iPSCs）誘導而來的心肌細胞被廣泛用于心臟相關(guān)的研究[1,2]。然而，ESCs/iPSCs面臨著異質(zhì)性、存活率差、分化偏向性等挑戰(zhàn)，限制了其應(yīng)用[3,4]。為了解決這些問題，科研人員做了大量的工作，包括優(yōu)化培養(yǎng)條件和獲得更強大的、新的多能細胞類型[3]。2017年，鄧宏魁團隊構(gòu)建出了人擴展多能干細胞（EPSCs），同時具有胚內(nèi)和胚外組織的發(fā)育潛能[5]，與ESCs/iPSCs來源的肝細胞相比，EPSCs來源的肝細胞顯示出更好的功能，并且其轉(zhuǎn)錄組與人原代肝細胞的轉(zhuǎn)錄組更為相似[6]。
然而，EPSCs能否高效誘導生成其他譜系如心肌細胞，以及EPSCs來源的心肌細胞與ESCs/iPSC來源的心肌細胞相比如何發(fā)揮作用，目前尚未見研究。因此，本研究利用EPSCs誘導心肌細胞及心臟類器官，并將其與iPSCs誘導的心肌細胞及心臟類器官進行線粒體功能、鈣離子流、收縮特性和挽救裸鼠心肌梗死模型方面的對比，觀察其功能特性，研發(fā)新型心肌體外模型。
二、 研究成果
對于心臟疾病建模、藥物篩選和細胞治療而言，一個有效的體外模型至關(guān)重要，但供體人心肌細胞卻非常稀缺，因此人胚胎干細胞（ESCs）和誘導性多能干細胞（iPSCs）誘導而來的心肌細胞被廣泛用于心臟相關(guān)的研究[1,2]。
原文圖1 EPSCs誘導的高性能心肌細胞及心臟類器官
本研究的整體實驗流程如a圖所示，直接將EPSCs按傳統(tǒng)方法[1,7]進行心肌細胞的誘導會導致實驗的失敗，因此研究人員先將EPSCs的培養(yǎng)基從EPSCs特制培養(yǎng)基換為mTeSRTM 1（一種商品化的干細胞培養(yǎng)基）培養(yǎng)2天，可誘導生成心肌細胞（b圖）。EPSCs可穩(wěn)定、重復誘導產(chǎn)生心肌細胞，并且誘導效率顯著高于iPSCs（c圖），并且EPSCs誘導的高性能心肌細胞與iPSCs誘導的一樣，也可搏動（視頻1）。這些結(jié)果顯示，EPSCs具有良好的向心肌細胞分化的潛能。
成功誘導心肌細胞后，研究人員將它們的結(jié)構(gòu)、線粒體功能進行了對比。轉(zhuǎn)錄組GO分析顯示，與iPSCs誘導的心肌細胞相比，EPSCs誘導的心肌細胞中肌小節(jié)排布和代謝成熟相關(guān)基因表達增強（d圖）。這兩種細胞組成的心臟類器官的肌小節(jié)結(jié)構(gòu)無顯著差異（e圖），但EPSCs來源的心臟類器官具有更成熟的細胞結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為N-Cadherin和RYR2標記的橫小管的極化分布（f圖）以及線粒體質(zhì)量顯著升高（g圖）。利用Seahorse XF分析儀對兩種來源的心肌細胞進行線粒體呼吸的監(jiān)測，結(jié)果顯示EPSCs誘導的心肌細胞具有更高的基線耦合效率（h圖），并且轉(zhuǎn)錄組GSEA富集分析也顯示，EPSCs誘導的心肌細胞中氧化磷酸化相關(guān)基因富集（i圖）。綜上，與iPSCs誘導的心肌細胞相比，EPSCs誘導的心肌細胞展現(xiàn)出更成熟的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及更完善的功能。
研究人員又進一步測試了兩種來源細胞的鈣離子流，結(jié)果顯示，與iPSCs誘導的心肌細胞相比，EPSCs誘導的心肌細胞表現(xiàn)出更高的鈣瞬變幅度和更短的鈣離子衰減時間，表明鈣循環(huán)相對快速和成熟（j圖）。并且對兩種來源細胞的電傳導速度及傳播方向進行對比后可見，雖然兩者的傳導速度（k圖）相當，但EPSCs誘導的心肌細胞及心臟類器官具有更好的傳播方向均勻性（l圖）。并且，力傳感器捕捉到的結(jié)果顯示，EPSCs誘導的心臟類器官表現(xiàn)出正向起搏反應(yīng)，在2.5 Hz時達到平均1.2倍的力（m圖）。研究人員還評估了一下兩種心臟類器官漸進性牽張（n圖）以及異丙腎上腺素刺激時的正性肌力反應(yīng)，結(jié)果顯示，EPSCs誘導的心臟類器官在漸進性牽張中表現(xiàn)出更明顯的正性（o圖）和負性（p圖）肌力反應(yīng)。并且，與iPSCs誘導的心臟類器官相比，EPSCs誘導的心臟類器官對異丙腎上腺素的敏感性更大（q圖）。
本文又為了研究EPSCs誘導的心肌細胞能否在體內(nèi)的心肌中存活并改善缺血心臟損傷，研究人員將EPSCs和iPSCs誘導的心肌細胞肌肉注射至心肌梗死裸鼠模型的心肌上，結(jié)果表明，與未注射細胞的對照組相比，注射EPSCs誘導的心肌細胞6周后，心肌梗死裸鼠的左心室射血分數(shù)和左心室短軸縮短率顯著改善（r圖），并且梗死面積減小（s圖），說明移植EPSCs誘導的心肌細胞有助于減輕心肌梗死裸鼠模型的心臟損傷。研究人員還發(fā)現(xiàn)，雖然兩種來源的心肌細胞可形成大小相仿的移植物（t圖），但EPSCs來源的移植物的纖維化程度較輕（t圖）以及凋亡比例較低（u圖）。這些結(jié)果說明，與iPSCs誘導的心肌細胞相比，移植EPSCs誘導的心肌細胞可能更有利于長期的心肌損傷修復。
三、 編者點評
1. 本文為心肌損傷修復等領(lǐng)域提供了一種新型的模型，為推動心肌相關(guān)疾病及基礎(chǔ)研究作出了巨大貢獻；
2. 這是一項新穎的研究，利用了一款新型的多能干細胞作為誘導心肌細胞的來源細胞，獲得了一系列數(shù)據(jù)作為EPSCs誘導的心肌細胞下游應(yīng)用的支持證據(jù)，非常詳實，適合每一個想要利用這一模型的學者拜讀。
3. 本文短小精悍，僅2頁，本文還含有大量補充信息，在此不能全部展現(xiàn)，推薦各位讀者移步原文仔細閱讀。
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參考資料：
[1] Lian, X. et al. Directed cardiomyocyte differentiation from human pluripotent stem cells by modulating Wnt/β-catenin signaling under fully defined conditions. Nat. Protoc. 8, 162–175 (2013).
[2] Gonzalez, R., Lee, J. W. & Schultz, P. G. Stepwise chemically induced cardiomyocyte specification of human embryonic stem cells. Angew. Chem. Int. Ed.Engl. 50, 11181–11185 (2011).
[3] Lund, R. J., N?rv?, E. & Lahesmaa, R. Genetic and epigenetic stability of human pluripotent stem cells. Nat. Rev. Genet. 13, 732–744 (2012).
[4] Cahan, P. & Daley, G. Q. Origins and implications of pluripotent stem cell variability and heterogeneity. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 14, 357–368 (2013).
[5] Yang, Y. et al. Derivation of pluripotent stem cells with in vivo embryonic and extraembryonic potency. Cell 169, 243–257 (2017).
[6] Wang, Q. et al. Generation of human hepatocytes from extended pluripotent stem cells. Cell Res. 30, 810–813 (2020).
[7] Park, S. J. et al. Insights into the pathogenesis of catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia from engineered human heart tissue. Circulation 140, 390–404 (2019).