基于干细胞的心脏类疾病如何战胜

人类对于生命的探索从未停止，而疾病这一威胁人类生命和生活质量的“恶魔”，人类要与它长期作战，直至最后战胜这个“恶魔”。因此，针对疾病的研究是很重要和关键的，把疾病作为研究对象，主要是明确疾病的病理学原理，指出治愈疾病的治疗方法或者药物使用方案，为新药研发提供依据。因此，研究疾病也有建立模型这样的研究手段，简称为疾病模型，是用于研究疾病的工具。一般来说，最早是用动物来建立人类的疾病模型，提供给生理学以及病理学研究，并能够延伸性地指出研究治疗方案和对应的新药开发。动物模型的建立，要选取模式动物，一般选取实验室常用的小动物，例如小白鼠，或者大动物，例如猴子、猪等。建立这些动物的疾病模型，大部分是通过诱发性的动物模型，也就是通过技术手段人为诱导岀动物具有人类疾病特征，用以构造疾病模型。与此对立的是自发性的动物疾病模型，也就是基因突变异常通过定向培育而留下来的疾病模型，显然这样建立模型的时间成本更高和操作难度更大。具体到心脏类的疾病上，可以用某些化学药物让小鼠的心跳速率加快而模拟有这类问题的人类疾病。这样用动物构建的疾病模型，有一个很大的问题就在于人和其他动物物种的种间差异。人的心率是次/分钟，而鼠类的心率远快于这个数值，因此，模型构建之后，对于很多的后续使用，是受到限制的。例如对于控制心率的药物，即便能够确定该药物具有控制心率的效果，但是对于具体浓度的确定，参照这种模型显然是不可靠的。因此，基于干细胞技术构建细胞培养体系下的人的功能性细胞而成的疾病模型，确实是一件非常有意义的事情。首先干细胞携带某些疾病基因，在其分化成为功能性细胞后，功能性细胞表现岀这种疾病特征，例如心脏细胞的先天性缺陷、节律的问题，就可以用带有这种问题的患者体细胞经过干细胞的过程最终变成心肌细胞，这种心肌细胞也具有这些遗传带来的特点，而这样构建的疾病模型，可以通过心肌细胞的心电生理检测，很好地把这个特征通过检测手段模拟出来。并且通过一些药物作用，可以测出药物对心率的改变，或者对健康心肌细胞模拟出心率不正常的状态，进一步开展其他研究。以上表述很好地诠释了用干细胞的方法构建疾病模型的原理和思路，当然在具体操作上有很多不同的手段来构建模型，其使用原则还是让构建模型的相似性、可重复性、适用性和可靠性都达到比较好的标准。我们来看看一例经典的基于干细胞的心脏类疾病模型吧。肥厚型心肌病(HCM)是一种原因不明的心肌疾病，患者负责心脏跳动的心肌细胞会出现异常肥厚症状。这种病症多存在于不少遗传性疾病中，包括CFC综合征(cardiofaciocutaneoussyndrome).努南综合征(患者常面部五官异常、身材矮小、骨骼畸形、先天心脏缺陷)。目前，对于这类心肌肥厚的遗传病患者并没有有效的治疗手段。其中，CFC综合征属于罕见病，由基因BRAF突变所致，全世界患病人数不到Ao明迪奇(Mindich)儿童健康和发展研究所主任、儿科教授、西奈山医学院遗传学家布鲁斯D.盖尔布(BruceD.Gelb)博士带领团队选取3名CFC患者，采集他们的皮肤细胞，通过重编程生产iPS,随后诱导干细胞分化成心肌细胞。结果发现，构成疾病模型的成纤维细胞之间互作，会引发一些变化。成纤维细胞会过度表达一种生长因子TGF-p，这种生子因子会反过来导致心肌细胞肥大或者过度增长。药物筛选中对于心脏毒性的测试在人类与疾病的斗争过程中，药物这种工具发挥了重要作用。药物的最终目的为了预防和治疗疾病，药品形式有多种。但是所有的药物，在结束研发走向临床之前，都需要检测其不良反应，也就是一些临床前的测试，检测药物的一些毒性作用。而药物的毒性检测，在以往一般用动物实验来测试，这也正是动物模型方法应用比较普遍和广泛的原因。然而，和之前所述的原因一样，种间差异总能使这种检测的可靠性被质疑。与疾病模型的思路一致，用细胞构建人体本身的细胞培养下的组织或者初组织模型，能够完全契合人的生理学特性，在对药物的测试上，结果更具有可信度。药物毒性的测试，在人体组织器官中，最重要地反映在心脏的安全性和肝脏的代谢功用结果上。新药在进入临床前，必须经过动物的在体的和离体的心脏安全性评估。例如，其中一项就是对于药物延长QT间期以及矫正的QT间期导致心律失常风险的评估。这种在动物身上测试的数据，具有一定的可靠性，但是不如在人本身的细胞建立的模型之下得到的数据更具有可以定量的可能性的效果。因此，用这种方法建立的药物心脏毒性测试方法，比传统的动物实验方法更为精确可靠，同时又避免了动物的培养时间以及伦理问题等，所以在新一代药物筛选和临床前测试面临的问题下，用这种干细胞的方法提供药物测试和筛选的工具，更便捷，也更具有可靠性，能够大大缩短药物的研发周期。未来用生物3D打印来完成人工心脏3D打印技术是年左右被提出的，而之后“器官的3D打印”是生物3D打印领域第一个被提出的，也是生物3D打印的最主要应用。生物3D打印是3D打印技术在生物或者医学领域的应用，主要是用于构建人体器官、细胞、组织模型，等等。根据对打印的对象的应用需要，选择使用的打印材料，也就是3D打印机里面的“墨水”。例如用于研究骨头的形态结构，这种打印用一般的材料打印出骨骼外形即可满足应用者的需求。又如需要模拟肝脏的生理功能的3D打印，则需要对应的生物材料构造并且配合细胞来进行打印。但是利用复杂的，例如细胞作为生物3D打印的材料的这一思路和操作，目前在构想和初步的实施阶段，要打印出和活体器官完全一样效果的器官组织，还需要解决不少的问题。在之前提到的心肌细胞分化中，解决了心肌细胞这种基本不自我增殖的细胞类型的来源。而人的心脏解剖学把心肌细胞如何分布组成一个完整的心脏也基本解释清楚了，3D打印技术在未来又能够根据非常具体的位置置入不同的材料，那么，心脏这种并非由单一的细胞组成的器官，则能够利用这一种技术实现在体外的完全一样的构造，并且实现功能上的一致性的模拟。首先，心室肌细胞和心房肌细胞作为心脏组织的主体会分布在不同的空间，并且心脏中并不是只有心肌细胞，同时有成纤维细胞。质等的存在。这些东西用复杂的结合方式排列在一起，构成了一个复杂的器官。而这些排列方式也给3D打印带来了难题，毕竟用均一材质打印更容易在技术上实现。对于这种复杂的器官组织的3D打印，如果实现了用细胞作为主体打印物质并且做好了细胞之间结合分布的问题，实现完全一样的离体活器官打印的梦想就可能实现。