Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind nach wie vor die weltweit häufigste Ursache für Morbidität und Mortalität, was den dringenden Bedarf an zuverlässigen In-vitro-Modellen unterstreicht, die die Entwicklung und Funktion des menschlichen Herzens rekapitulieren 1,2. Traditionelle zweidimensionale (2D) Monolayer-Kulturen von Kardiomyozyten sind zwar wertvoll, können aber die räumliche Komplexität, die multizellulären Wechselwirkungen und die elektromechanische Integration des nativen menschlichen Herzens nicht reproduzieren 3,4. 3D-Herzorganoide, die aus pluripotenten Stammzellen gewonnen werden, haben sich als leistungsfähige Plattformen herausgestellt, die diese Einschränkungen überwinden und selbstorganisierende, multizelluläre Strukturen bereitstellen, die die frühe kardiale Morphogenese und funktionelle Reifung in vitro nachahmen 5.
hES-Zellen, wie z. B. die H9-Linie, besitzen die intrinsische Fähigkeit, sich in alle somatischen Zelltypen zu differenzieren, einschließlich Kardiomyozyten, Endothelzellen und kardiale Fibroblasten6. Unter kontrollierten Kulturbedingungen können hES-Zellen durch die sequentiellen Stadien der Mesoderminduktion, der kardialen Mesodermspezifikation und der Kardiomyozytendifferenzierung geführt werden 5,7. Dieser schrittweise Prozess kann mit Hilfe spezifischer Signalmoleküle und Inhibitoren reguliert werden, darunter Activin A, BMP4, FGF2, PI3K-Inhibitoren, CHIR99021, Wnt-Inhibitoren und Retinsäure 5,8. Durch die genaue Nachahmung der In-vivo-Signalumgebung der embryonalen Herzentwicklung fördern diese Signale eine effiziente und reproduzierbare Kardiogenese in vitro 5,7.
Im Gegensatz zu vielen Organoidsystemen, die eine Einbettung in Komponenten der extrazellulären Matrix (ECM) erfordern, wie z. B. Matrigel, können sich kardiale Organoide unter Bedingungen mit geringer Adhäsion ohne Matrixunterstützung selbst assemblieren 5,9. Die Aggregation differenzierender hES-Zellen in Suspension führt zu sphärischen 3D-Strukturen, die innerhalb der ersten Woche nach der Differenzierung spontanes Schlagen zeigen10. Diese Organoide enthalten funktionell relevante kardiale Zellpopulationen und weisen charakteristische Merkmale wie sarkomerische Organisation, Kalziumtransienten und rhythmische Kontraktionenauf 11,12, was ein physiologisch relevantes Modell des frühen menschlichen Herzgewebes darstellt.
Die Möglichkeit, hESC-abgeleitete kardiale Organoide zu erzeugen, bietet spannende Möglichkeiten für die Entwicklungsbiologie, die Modellierung von Krankheiten, das Wirkstoffscreening und Kardiotoxizitätstests13,14. Darüber hinaus ermöglicht die Integration mit Genome-Editing-Technologien und patientenspezifischen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) die personalisierte Modellierung von Krankheiten und die therapeutische Erforschung von erblichen Herzerkrankungen.
In diesem Artikel stellen wir ein detailliertes Schritt-für-Schritt-Protokoll für die Erzeugung von kardialen Organoiden aus menschlichen embryonalen Stammzellen vor, das die wichtigsten Stadien der Differenzierung, die Kulturbedingungen und die Validierungstechniken hervorhebt. Diese Plattform bietet ein robustes, skalierbares System, um die kardiale Entwicklung des Menschen zu rekapitulieren und eine Grundlage für zukünftige translationale Forschung zu schaffen.