以色列理工學院(Technion)、以色列海法Rambam醫學中心和加拿大多倫多University Health Network醫院下的McEwen Stem Cell幹細胞研究所共同合作，成功地將誘導性多功能幹細胞製成具有腔室區分性的心房和心室細胞。這樣的人工心臟組織可模擬心房(心臟上方的腔室，血液由此進入心室)和心室組織，假以時日會被應用在心臟病患的個人化治療及新藥開發上。同樣的技術在更長遠的未來可望被用來製造心臟植入物，以修補心房和心室受損區域。

為了證明這項技術的內在潛力，研究人員在人工的心房組織內研發了心律不整的模型。該模型能模擬最常見的心跳異常，也就是心房顫動，並可檢視相關藥物是否在預防心律不整或止住心律不整上有效用。

心房和心室的組織模型可展示出兩者在基因表現、蛋白質表現、電活動及收縮上等不同特性，就好似人體內真正的心臟腔室。這項研究的首席研究員，以色列理工學院的Lior Gepstein教授指出，可以改善心房細胞功能並因此防止心房心律不整的藥物反而對心室細胞功能造成損害，甚至誘發心室心律不整。最常見的不規則心跳，即心房顫動，也是導致超過四分之一中風的原因。因此能做出具有心房和心室區分性的人工心臟組織是非常重要的，有了獨立的心房和心室細胞便能在每種細胞類型上測試每一種藥物，以找出對心房細胞有作用但不會影響心室組織功能的藥物。

研究團隊在這項研究中所開發的獨特研究工具包括人工的心房和心室組織，以及研究這些組織的創新模型。這些成果有望顛覆藥物開發也能讓用病患自身組織為病患訂製個人化藥物成為可能。Gepstein教授指出研究團隊長遠的目標是希望能夠用類似的方式為心臟病患人工製造出換心所需的心臟組織，這樣的組織是患者自身基因特性打造出來的，因此在移植後不會產生排斥。

最新成果已發表在「自然通訊」，研究由Gepstein教授及博士候選人Idit Goldfracht主持，Gepstein教授除了是Sohnis家族心臟電生理學實驗室的負責人，也是隸屬以色列理工學院之Rappaport醫學院下再生醫學部門的主任，以及海法Rambam醫療中心的心臟科主任。這項研究也是以色列理工學院和加拿大McEwen幹細胞研究所所長Gordon Keller教授所指導之實驗室合作的一部分。

事實上這項研究跟Gepstein教授之前被刊登在美國心臟病學學院期刊(JACC)的另一個研究互補。在另一篇研究中，研究人員從誘導多功能幹細胞分化出一個獨特的2D心臟層片，從而對遺傳性心臟疾病中的複雜心律不整進行建模和研究。研究由Gepstein教授團隊中的Rami Shinnawi博士和Naim Shaheen執行，他們建的獨特模型是用來研究短QT症候群的，這是一種能危及到性命的遺傳性心律不整性疾病。患有此先天疾病的年輕病患會發生各式心律不整，甚至猝死。透過Gepstein教授團隊建立的模型可重建並研究這種疾病如何造成心律不整的機制，進而在實驗室中測試不同的治療方式，預先為患者找出最適合其個人的治療。研究同時也印證利用CRISPR基因編輯技術來糾正導致該疾病心律失常之突變基因的可能，為CRISPR成為未來治療遺傳性疾病的潛力提供了概念驗證。

Gepstein教授兩篇論文中所提到的2D和3D模型是使用人誘導多功能幹細胞(human-induced pluripotent stem-cell, hiPSCs)技術所製造出來的層片和環狀心肌細胞。這項技術最初由日本研究員山中伸彌研發，他是2012年諾貝爾生醫獎的共同得獎人。此技術的明顯優勢之一是用患者自身的細胞來製造供移植使用的細胞或組織，也就避免了使用他人細胞可能產生的排斥反應問題。此外，這個過程還能在實驗室中創建患者專屬的模型，除了可用在病患個人化治療上，也可延伸成藥物開發和測試的獨特平台。

人誘導多功能幹細胞的原理簡單來說從收集成人的細胞，例如皮膚或血細胞開始。然後這些細胞會被人工改寫，就像是經過「細胞時光機」，返回人體細胞最原始的狀態，類似於胚胎幹細胞。這些細胞在實驗室中再被引導分化成所需的細胞類型。Gepstein教授和Keller教授的實驗室都專精於心臟組織培養，但分別用了不同的生長因子來引導多功能幹細胞分化成心肌細胞，成為本文初提到的心室細胞、心房細胞及心律調節細胞。研究發表全文請見「自然通訊」。

資料來源：https://www.technion.ac.il/en/2020/02/3d-engineered-atrial-and-ventricular-heart-tissue/