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一支多学科、跨机构的研究团队表示，其结合遗传学、力学、化学与生物学领域的专业技术，构建了一枚邮票大小的芯片，用于模拟一类特定的心脏疾病。
该研究由匹兹堡大学医学院细胞生物学系副教授李广（Guang Li, PhD）领衔，成功在类器官上培养出心脏瓣膜。相关研究论文《人诱导多能干细胞来源的心脏瓣膜样组装类器官可模拟瓣膜发育与疾病病理特征》发表于《细胞·干细胞》（Cell Stem Cell），研究人员表示，该成果为深入理解并治疗多种严重心脏疾病迈出了重要一步。
这类研究通常依赖动物模型，动物心脏瓣膜的发育速度远快于人类（人类心脏瓣膜完全发育需要近10周），且不会面临人类研究涉及的伦理争议。但李广指出：“人类瓣膜与动物瓣膜存在极大差异。”例如人类和斑马鱼之间就存在显著的生理与遗传学差异，“研究人类瓣膜疾病，必须使用人类瓣膜模型。”
本研究使用的类器官由成体人诱导多能干细胞培养得到，这类干细胞可从皮肤、血液或其他体细胞重编程获得，经诱导可分化为目标组织的功能细胞，本研究中为人类心脏细胞。不同类型的类器官可进一步组装为组装类器官（assembloid），更好地模拟由多种组织共同发育形成的复杂器官。
但具有功能的心脏绝非仅由特定细胞群聚集而成，其发育与正常功能维持高度依赖多种力学因素的复杂互作等条件。为了在模型中复现这些力学作用，李广邀请了具备工程学专业背景的合作者，包括斯旺森工程学院William Kepler Whiteford讲席生物工程教授Lance Davidson博士，以及卡内基梅隆大学生物医学工程教授甄思洋（Si-Yang Zhen, PhD）。
Davidson表示：“这类跨学科项目是匹兹堡科研圈协作特色的典型代表。”
心脏组装类器官表面培养的瓣膜
为构建疾病模型，李广团队首先在心脏组装类器官表面培养瓣膜，随后通过多种策略模拟在体心脏受到的力学作用以刺激瓣膜发育：包括流动介质模拟血液冲刷、内皮培养体系模拟心脏瓣膜内衬细胞，甚至通过磁带控制磁化微珠运动，模拟心肌收缩过程。
基于这套可模拟带瓣膜心脏功能的类器官系统，研究团队构建了4种瓣膜疾病模型，包括二尖瓣脱垂（mitral valve prolapse, MVP）—— 一种在美国累计累及700~800万人群的遗传性疾病。
当研究人员向模型中导入与二尖瓣脱垂相关的基因突变时，发育中的瓣膜即表现出二尖瓣脱垂的病理特征。此外，研究人员还通过模拟或诱导损伤，复现了人群生命周期中可能出现的瓣膜损伤表型，包括瓣膜钙化、冷冻损伤，以及低血糖与糖尿病相关的瓣膜并发症。
李广团队已基于该类器官模型展开研究，鉴定出了与二尖瓣脱垂相关发育异常的部分调控通路，以及潜在的干预靶点。团队还构建了获得性瓣膜功能缺陷的模型，后续将探索对应的治疗方案。
下一步，李广团队计划进一步提升组装类器官的复杂度：培养带有两个心腔的组装类器官，并将瓣膜培养于心腔内部而非类器官表面，以更好地模拟真实人类心脏的结构与功能。
专业注释
- 组装类器官：多细胞/类器官组装的复杂模型，可模拟多组织器官特征
- 二尖瓣脱垂：常见遗传性瓣膜病，收缩期二尖瓣脱入左心房引发功能异常