引言

 心脏类器官是一种可呈现心脏组织形状或功能的体外三维结构，其在一定程度上能模拟心脏发育过程，从而为揭示心脏发育、研究心血管疾病、药物测试和移植提供了一个强有力工具。成功建立稳定可靠的心脏类器官模型有两个关键因素，一是需要了解体内心脏器官的发育过程，了解其发育的关键通路，从而为干细胞定向诱导分化为心脏类器官提供指导；二则是需要选择可靠的调节信号通路的活性分子（细胞因子和小分子），从而快速准确的获得相应的细胞类型。近岸蛋白可提供经类器官培养验证的细胞因子，为您的类器官培养保驾护航！ 人类心脏是发育过程中第一个形成的功能器官，也是最难在体外构建模型的器官之一^[1]。心肌细胞是心脏中最常见的细胞，在心室中的比例高于心房^[2]。成人心脏心室区包括心尖和室间隔，心肌细胞占49.2%，血管平滑肌细胞占21.2%，成纤维细胞占15.5%，心内膜细胞占7.8%，免疫细胞占5.3%^{[2, 3]}。Wnt/β-catenin信号在胚胎发生过程中调控心脏发育，包括心脏中胚层规范、心肌分化和增殖。Wnt信号能够调控中胚层心脏祖细胞（Cardiac progenitor cells，CPCs）的扩增和分化状态^[4-9]，在小鼠胚胎干细胞分化（mESCs）过程中，胚状体形成后Wnt/β-catenin信号的激活抑制心肌分化，同时促进内皮细胞和造血细胞的分化^[8]。在脊椎动物胚胎发育过程中，Wnt信号的激活诱导胚胎干细胞进入前后侧板中胚层（Lateral plate mesoderm，LPM）。在前LPM中，从内胚层分泌的Wnt抑制因子Dkk阻止Wnt与其受体结合，诱导形成心源性中胚层和CPCs。在LPM中，来自神经管的Wnt信号指示后中胚层成为血管生成的中胚层，BMPs和Wnt信号共同作用，促进血管生成中胚层向血液和血管的分化^{[7, 10-12]}。

Fig 1 Wnt/β-catenin信号在心脏发生中的双相作用

体内和体外研究都表明，在心肌分化过程中，Wnt信号的作用在促进和限制心肌细胞形成之间摇摆。在人胚胎干细胞（hESCs）中，Wnt3和Wnt8a通过FZD7调控Brachyury的表达和诱导心脏中胚层。随后，Wnt5a/5b通过酪氨酸-蛋白激酶跨膜受体（Tyrosine-protein kinase transmembrane receptor，ROR2）调控MESP1的表达和CPCs的特异性。在hESC发育后期，Wnt2、Wnt5a/5b和Wnt11通过FZD4和FZD6激活非经典Wnt信号调节心肌细胞分化^[13]。在人诱导多能干细胞（hiPSC）中，如果在分化初期敲低β-catenin，可完全阻断心脏中胚层的形成，而抑制GSK-3β可促进CPCs的形成^[14]。从动物和细胞模型的研究中，我们已经知道心脏谱系是如何从胚胎中胚层开始以特定的方式产生心肌细胞、心内膜细胞和心外膜细胞等心脏细胞类型^[15-17]，接下来则需要明确信号如何引导这些细胞类型自组织成层并形成心脏腔。源自人类多能干细胞的心脏形成类器官（Heart forming organoids，HFOs）是一种复杂的、高度结构化的早期心脏、前肠和脉管系统发育的体外模型，该模型成为了体外心脏研究中的有力工具，包括致畸性探究，基因功能分析和药物筛选，可以帮助我们探索心脏的发育模式。在体内，心内膜细胞首先形成心内膜管，然后通过充满细胞外基质的间隙与外心肌细胞管分离，最后形成心腔的内层[14]，但信号如何规范并协调这些模式和形态发生过程尚不清楚。研究人员通过来源于人多能干细胞的自组织心脏类器官发现，中胚层诱导过程中较高剂量的Wnt信号会在心脏中胚层后期引起腔扩张，且高到一定程度后会促进非心肌细胞特异性的空腔。中等剂量的Wnt促进了空腔形态的形成和心肌细胞的特异性。BMP在多个阶段驱动心脏特异性发育，在心脏中胚层阶段的最初阶段使用Noggin或化合物LDN193189阻断BMP信号导致腔体形态发生受损，心脏中胚层密度增加，类心细胞缩小但数量保持稳定。中胚层WNT-BMP信号轴控制着两个关键的自组织过程，即：自我模式发生和自我形态发生^[18]。在心脏中胚层阶段，较低的Wnt信号激活导致VEGF-A和其他心内膜细胞特异性因子（ETV2，TAL1，LMO2和PECAM1）的上调。同时scRNA-seq分析显示，与中等Wnt/高Activin诱导的心脏相比，低Wnt/低Activin诱导的心室样心脏表达VEGF-A的心肌细胞比例更高。在中胚层诱导过程中，最佳信号剂量的Wnt和Activin可以控制后期心内膜的自组织，从而形成心腔的部分内层；相比之下，在较高Wnt和Activin剂量的条件下则观察不到心内膜细胞的自组织。VEGF刺激了心肌细胞层和心内膜细胞层的早期分离，这是胚胎心脏中胚层和心管阶段的一个重要环节。然而，外源性VEGF不足以控制心内膜细胞在内膜的正确内外取向。因此，Wnt/Activin的剂量和VEGF信号调节的时间共同调节了心脏空腔形态的形成以及心肌细胞和心内膜细胞谱系的体内正确模式^[18]。 

Fig 2 Wnt、Activin和VEGF协调内皮细胞和心肌细胞的自组织

 心血管疾病是世界范围内致人死亡的主要疾病之一，在人类心脏研究中，科学家倾向于利用人类多能干细胞衍生心脏谱系细胞的自组织特性来构建心脏类器官模型，目前已在体外通过不同的细胞来源、生长基质和诱导方式构建出了不同发育程度的人类心脏类器官^[18-21]（近岸类器官课堂-心灵捕手），利用不同生长阶段的类器官模型，我们可以更加了解心脏在体内的发育方式，同时也为心血管疾病药物的研发提供了更精准的体外模型。 

近岸蛋白可提供自主研发生产并经过类器官培养验证的低内毒素Activin A、BMP-4、EGF、FGF-7、FGF-10、FGFb、FGF8b、HGF、IGF1、Noggin、NRG1、R-Spondin 1/3和Wnt3a等细胞因子，这些细胞因子已经在人肿瘤类器官如垂体瘤类器官、脑膜瘤类器官、乳腺癌类器官，人正常类器官如ipsc来源的人小肠类器官，以及小鼠正常类器官如小肠、结肠、胃、胆管以及气道类器官等体外模型上进行了验证。

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C779	Recombinant Human FGF basic/FGF-2
C044	Recombinant Mouse FGF basic/FGF-2
C012	Recombinant Human/Mouse/Rat BMP-2
CR93	Recombinant Human BMP-4
C28B	Recombinant Human BMP-7
CB89	Recombinant Human Noggin
C744	Recombinant Human VEGF121
C083	Recombinant Human VEGF165
C22R	Recombinant Human Wnt3a V3