Cell Reports | 心脏修复的新材料

来源：BioArt

撰文：张丽嫣、蔡祖花

摘要：心脏受损后的再生和修复一直是一个悬而未决的医学难题。目前尚没有一个可靠的方法能够分化、培养医用级别的心脏前体细胞（cardiovascular progenitors）。该研究发现并利用基因工程技术制备了心脏特异性的层粘连蛋白-221 (LN-221)。这种层粘连蛋白可以辅助人类干细胞分化成心脏细胞并降低生成畸胎瘤的可能性。利用层粘连蛋白-221，研究人员已经开发出一种非常可靠的方法用于分化形成心脏前体细胞。这种方法的化学成分清晰，不含动物成分。同时研究人员使用单细胞核苷酸测序证实了该方法的可重复性。利用该方法制备的心脏干细胞在小鼠心脏创伤疾病模型中可以生成人的心脏肌肉并改善心脏功能。本文报道的心脏细胞分化方法为量产医用级别的细胞提供了新的平台，可望用于心肌再生治疗。

心脏受损后的再生和修复一直是个医学难题。科学家们一直在研究促使不同种类干细胞分化成心脏前体细胞（cardiovascular progenitors cells, CVP）的技术，这有可能会帮助心肌纤维的重建。 然而，这些方法还没有达到美国食品药品管理局和欧洲药品管理局提出的再生治疗的规定标准。因此，亟需一个可靠的方法，能够分化、培养医用级别的心脏前体细胞，以便用于临床治疗。

近日，新加坡杜克-新加坡国立大学医学院 (Duke-NUS Medical School)的Karl Tryggvason团队（共同一作为高级研究员Lynn Yap与 Jiong-Wei Wang）在Cell Reports杂志上发表文章In vivo generation of post-infarct human cardiac muscle by laminin-promoted cardiovascular progenitors，该研究发现并利用重组蛋白技术制备了心脏特异性的层粘连蛋白-221 (LN-221)，开发出一种更可靠的利用干细胞衍生的心脏前体细胞促进心肌再生的方法，该层粘连蛋白可以辅助人类干细胞分化成心脏细胞并降低生成畸胎瘤的可能性。

研究者利用层粘连蛋白-221，成功开发出一种非常可靠的方法用于分化人类胚胎干细胞形成心脏前体细胞。这种方法的化学成分清晰，不含动物成分。团队们也使用单细胞核苷酸测序（single cell RNA sequencing）证实了该方法拥有高度可重复性。

图1 利用Single Cell RNA sequencing分析两种不同系的人类胚胎干细胞，结果显示此分化方法具有高度可重复性。A）利用LN-221将人类胚胎干细胞分化为心脏细胞的说明。通过大量RNA-seq分析两个人类胚胎干细胞系（H1和HS1001），分化长达94天。（B）H1和HS1001细胞系中的主成分分析（PCA）。主成分（PC）1（x轴）按时间分离数据，PC2（y轴）捕获心血管祖细胞（CVP）形成。相似度甚高，意味着高度可重复性。 （C）H1（X轴）和HS1001（Y轴）细胞系之间的分化方案的再现性。在所有12个时间点，H1和HS1001细胞系之间的全转录组表达水平相似度极高。在散点图中，每个点表示单个基因（D）显示H1和HS1001细胞系中94天分化方案期间畸胎癌（TDGF1，MT1H）和多能性基因（其余基因）的基因表达水平（每百万平均转录物的Z-得分，TPM）的热图。（E）具有成熟CM标记物表达水平的热图（F）具有典型CM通道表达水平的热图。

利用该方法制备的心脏前体细胞（Cardiovascular progenitor cells）在小鼠心脏创伤疾病模型中可以生成成熟的人心肌纤维和新生血管，并改善心脏功能。

图2 移植的祖细胞12周后在梗塞区形成成熟的人心肌纤维。（E）显示在梗塞区域中（黄色虚线）生成的人肌纤维束的共聚焦图像，（ TNNT2，红色；人核Ku80，绿色；连接蛋白43, Connexin 43, Cx43，黄色）。比例尺=25M。 （F）在100X放大率。白色箭头显示两个心肌之间的末端板（Cx43阳性），星号表示具有较少Cx43蛋白的区域。

视频3 人类心血管祖细胞，注入到老鼠心脏梗塞区，12周后发现的成熟人体心肌纤维3D动画。

图4 本文实验流程及主要发现。

本文报道的心脏细胞分化方法为量产医用级别的细胞提供了新的平台，可望用于心肌再生治疗。本文合作者，新加坡国立大学医学院心血管研究所高级研究员Jiong-Wei Wang博士认为，使用层粘连蛋白-221培养出的心脏前体细胞能在动物体内长期生存、形成新的心肌并在一定程度上改善小鼠的心脏功能，为心血管疾病细胞疗法的临床实验提供了新的材料和新的思路。当然，这种心脏前体细胞的临床治疗效果仍待大规模的临床研究和科学验证。

原文链接：

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(19)30269-4

制版人：半夏

参考文献

1. Yap L, Wang JW, Moreno-Moral A, Chong LY, Sun Y, Harmston N, Wang X, Chong SY, Ohman MK, Wei H, Bunte R, Gosh S, Cook S, Hovatta O, de Kleijn DPV, Petretto E, Tryggvason K (2019). In Vivo Generation of Post-infarct Human Cardiac Muscle by Laminin-Promoted Cardiovascular Progenitors. Cell Reports (March 2019) 26:12;3231–3245. DOI: 10.1016/j.celrep.2019.02.083

2. Chien KR, Frisén J, Fritsche-Danielson R, Melton DA, Murry CE and Weissman IL (2019). Regenerating the field of cardiovascular cell therapy. Nature Biotechnology 37;232–237.DOI: 10.1038/s41587-019-0042-1