应用案例心脏类器官培养案例 | 人心脏类器官培养手册

心脏作为循环系统的核心动力器官，其复杂的三维结构（包括心肌层、心内膜、心外膜及传导系统）使得体外建模长期面临挑战。传统2D细胞培养难以模拟心肌细胞的极性、电生理耦合及机械应力环境，而动物模型存在种属差异，限制了心血管疾病机制研究及药物筛选的准确性。

类器官（Organoid）技术通过3D自组装形成具有器官特异性结构和功能的微型组织，能够保留细胞异质性和空间组织结构，模拟体内微环境及细胞间相互作用，实现疾病建模和个性化药物测试。

2021年，Mendjan S团队首次报道心脏类器官（Cardioid）模型——通过时序性激活6条关键信号通路，诱导人多能干细胞（hPSC）自组装形成具有空腔结构、自主节律性收缩的心脏类器官^[1]。该模型无需支架支持，具备损伤后自主动员心脏成纤维细胞修复的能力。

2023年，该团队进一步开发多腔心脏类器官模型，通过2D/3D结合技术实现心房、心室、流出道等5种腔室特异性分化，为先天性心脏病研究提供更精准的平台^[2]。

图1.从人类多能干细胞中建立心脏类器官(PMID: 34019794)^[1]

图2 三种主要心脏谱系的分化方案图示(PMID: 38029745)^[2]

我们根据Mendjan S^[1]发表的文章，整理了人类多能干细胞(hPSC)生成心脏类器官的培养方案。该模型可自发形成空腔，自主跳动，无需支架支持，在受伤后可以自主动员心脏成纤维细胞迁移修复损伤。

图3.hPSC分化为心脏类器官的过程(PMID: 34019794)^[1]

将hPSC (WTC细胞)接种到超低吸附的96孔板上，用FLyAB(Ins)培养基（CDM培养基含有30 ng/mL FGF2，5 μM LY294002，50 ng/mL Activin A，10 ng/mL BMP4，1 μg/mL insulin，4-8 μM CHIR-99021，5 μM Y-27632（Cat# 53006ES）或Y-27632 dihydrochloride（Cat# 52604ES）培养36 h-40 h；

更换为BFIIWPRa培养基（CDM培养基含有10ng/mL BMP4，8 ng/mL FGF2，10 μg/mLinsulin，5 μM IWP2，0.5 μM Retinoic acid，200 ng/mL VEGF-A）培养4天，每日换液；

更换为BFI培养基（含有10ng/mL BMP4，8 ng/mL FGF2，10 μg/mL insulin，100 ng/mL VEGF-A）培养2天，每日换液；

图4.hPSC分化为心脏类器官的过程中各时间点的细胞团尺寸变化及明场图片(PMID: 34019794)^[1]

更换为CDM培养基（含有100 ng/mL VEGF-A）继续培养，每两天换液；可维持培养4-8周。

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[1] Hofbauer P, et al. Cardioids reveal self-organizing principles of human cardiogenesis. Cell. 2021 Jun 10;184(12):3299-3317.e22.

[2] Schmidt, Clara, et al. Multi-chamber cardioids unravel human heart development and cardiac defects. Cell 186.25 (2023): 5587-5605.

（本文中的实验方案基于已发表文献优化整理，内容仅供参考，实际实验条件可能因细胞系差异、实验室环境等因素需调整，建议用户在正式实验前进行预实验优化。）