心脏类器官的神秘外衣
干细胞分化为心肌细胞和心脏类器官相关研究已经持续多年，在此之中Alessandra Moretti教授团队自2010年以来一直专注于干细胞与心肌细胞及心脏类器官的研究。在传统的2D培养层面，先后发现了如何使用干细胞来创建人类心肌组织，使用基因编辑技术纠正了心脏病的遗传突变等关键性难题，为心血管疾病提供潜在治疗方式[1,2]。
2021年Pablo Hofbauer从人类多能干细胞中建立了自组织的类心脏细胞[3]，开启了心脏类器官的探索之路。2023年Moretti教授团队基于心脏类器官培养方法，解决了多能干细胞衍生的心脏类器官无法自发形成真正的心外膜（在心脏发育和修复中具有关键功能）这一问题[4]。
通过以下几方面一起来了解Moretti教授团队产生类器官心外膜结构的具体方式与心外膜结构的功能检测。
心外膜类器官的发现
为了构建更接近真实状态的心脏类器官，Moretti教授团队在之前利用人多能性干细胞形成球体的配方中，加入了可促进心外膜发育的视黄酸，随后将球体嵌入凝胶中进行3D培养。最终发现，视黄酸处理的球体除了形成心肌细胞核心，还形成了一个厚厚的包裹层。并且在这个包裹层中含有大量表达心外膜标记物的细胞。通过进一步的优化培养，研究人员最终得到了能够显示功能性心室心肌和心外膜自组织的心脏类器官，并命名为“心外膜类器官（Epicardioid）”。
利用人多能干细胞产生心外膜类器官的流程模式图[4]
心外膜类器官和人类心脏相似程度
在得到心外膜类器官后，研究人员通过单细胞测序分析了它的细胞组分，发现它和人类胎儿心外膜的细胞种类相同，都包含了间皮心外膜细胞、心外膜衍生的间充质细胞和增殖细胞。
同时使用cTnT荧光染色发现具有心外膜的类器官还可以再现人类的心室模式：致密外心肌层的动作电位复极化时间明显短于内心肌层。由此可见，心外膜类器官极好地模拟了人类心脏的结构、功能和细胞复杂性。
心外膜类器官的外心肌层（OM）和内层心肌（IM）
荧光染色与单细胞测序[4]
培养第35天的心外膜类器官动作电位检测示意图[4]
不同心脏细胞之间的互动
通过对单细胞测序数据的进一步分析，研究人员发现，心外膜细胞与其他细胞类型之间存在大量的相互作用。研究人员重点关注了心外膜细胞中胰岛素样生长因子2（IGF2）和心肌细胞中胰岛素样生长因子1受体（IGF1R）这一对配体-受体的相互作用。结果表明即使在没有心外膜的情况下，IGF2也足以诱导心肌致密化。
心外膜细胞IGF2和心肌细胞IGF1R相互作用促进了心肌致密化[4]
心外膜细胞的发育来源
先前的研究中，人们对心外膜前体细胞的个体发育并不十分明确。而在这项研究中，Moretti教授通过单细胞测序结合计算生物学的方法，在时间轴上跟踪细胞轨迹最终发现，“前近心野（pre-JCF）”的前体细胞正是心外膜细胞的主要来源。而且，“pre-JCF”前体细胞在人类中具有“双能”，既能产生心肌细胞，又能产生心外膜细胞。
谱系追踪显示“pre-JCF”前体细胞分化为心外膜细胞和心肌细胞[4]
心外膜类器官的功能
类器官的一大作用是进行疾病模拟，在得到心外膜类器官后，研究人员也迫不及待地想要利用这个模型解决二维体外模型无法解决的问题，比如纤维化在心力衰竭进展中的关键作用。研究人员首先用血管收缩剂处理了心外膜类器官，结果引发了心肌细胞肥大，并且还使其表现出衰竭心脏的公认特征：频繁的心律失常和钙瞬变幅度降低。
血管收缩剂ET150处理心外膜类器官后，
心律失常频率增加，钙瞬变幅度降低[4]
此外，研究人员还测试了心外膜类器官模拟先天性心肌纤维化的能力，他们利用来自努南综合征患者（出生时即表现严重的左心室肥厚和心肌纤维化）的诱导多能性干细胞产生了患者特异性的心外膜类器官，并在培养中发现心外膜的细胞环境确实允许与发育缺陷相关的纤维化变化。
努南综合征类心外膜炎患者诱导类器官纤维化染色[4]
以上数据说明心外膜类器官可应用于临床前测试中，以确定心肌纤维化药物的作用，从而避免了试验直接作用于受试者所造成的伤害风险。
为了更好的研究心血管疾病的发生与治疗，心外膜类器官为此提供了独特的平台用于解决发育生物学以及心血管医学和药物发现中的基本问题。这一发现无疑为心血管疾病的研究起到了很好的推动作用，但是除此之外，心血管疾病与心脏类器官研究与应用过程中仍然存在例如心脏类器官的完善等很多问题需要我们解决，心脏类器官的研究与探索的道路仍在继续。
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