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疾病研究和药物开发的重要工具——类器官

当你回首往事时

便会发现人生没有失败

只有铺垫

正文
 

Nature Methods 如此评价类器官(Organoids)技术:利用干细胞直接诱导生成三维组织模型,为人类生物学研究提供了强大的方法,目前对于这种工具的研究正在不断发展进步中。

类器官是一种由不同类型干细胞通过自组织方式制备,能够模拟原生器官结构和功能的一类三维“微器官模型”。相比传统的二维培养模型,类器官代表着一种能够概括整个生物体生理过程的创新技术,具有更接近生理细胞组成和行为、更稳定的基因组、更适合于生物转染和高通量筛选等优势。而与动物模型相比,类器官模型的操作更简单,还能用于研究疾病发生和发展等机理。

类器官的制备可以利用体细胞、成体干细胞(包括祖细胞)或多能干细胞。2009年,肠道器官模拟技术率先取得突破,研究人员发现,成人肠道干细胞可以在体外增殖和自发组织化。其特征是能够表达LGR5,这是一种编码Wnt激动剂R-spondin受体的基因,同时需要特定的分子围绕在旁,如Wnt、表皮生长因子和noggin。以此为理论基础,研究人员开发了一种三维培养体系,能够在体外重建肠道干细胞的适宜环境,并从肠道上皮细胞或单个LGR5+干细胞分化出具有自我更新能力、保持肠道腺窝绒毛状结构的类器官。该模型可以持续扩增达3个月,稳定的基因组保证了纯化和生产放大等优势,此后这种方法被用于从其它主要器官上皮组织制备各种类器官。

类器官的制备(图片整理自参考文章1)

除了成体干细胞,多能干细胞(包括诱导干细胞和胚胎干细胞)也可以利用其自我更新及分化能力来制备类器官。由于从多能干细胞中提取的类器官是通过同质群体定向分化而形成的,因此必须在一个唤醒胚胎发生的动态过程中重新创造组织特异性细胞类型及其微环境。因此,多能干细胞类器官培养必须在分化过程中提供合适的生态位信号。由于这一过程较复杂,多能干细胞类器官往往含有不同于模型器官的细胞类型,使靶组织的信号环境和自组织复杂化。

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类器官模型的应用

1.建立疾病模型

与二维培养体系相比,类器官有助于阐明疾病的发展、稳态和发病机制,为疾病的诊断和治疗提供可能的新方法。以大脑类器官为例,它包括了人类特定的神经发生过程,为研究人类大脑发育提供了宝贵的机会。这种类器官模型生长在一个微加工的腔室中,可以进行长期的原位成像,目前已被用于模拟皮质折叠,以及平脑症的发病机制研究。平脑症是由LIS1突变引起的。有研究表明,利用平脑症患者的诱导多能干细胞制备的大脑类器官,其外桡神经胶质细胞存在有丝分裂缺陷,这在小鼠模型中很少出现。大脑类器官还被用来研究Zika病毒,这种病毒能够优先感染神经祖细胞,降低其增殖和生存能力,这可能是Zika病毒造成头部畸形的一个重要原因。

类器官技术在发育、稳态和疾病研究中的应用(图片整理自参考文章2)

2.抗癌药物筛选

多种原发性肿瘤如结肠癌、前列腺癌、乳腺癌、胰腺癌等细胞均已培养出对应的类器官,这些“类肿瘤器官”已经成为重要的临床前筛选模型,能够预测个体患者对疗法的反应。例如,在临床试验中,转移性胃肠道癌症患者的肿瘤类器官再现了这些患者对抗癌药物的反应。

肿瘤类器官也可用于肿瘤生态依赖的研究,通过对不同级别结直肠肿瘤类器官研究显示,在从正常组织到腺瘤再到癌的转变过程中,对生态因子的依赖性是逐渐降低的,而生态因子依赖性主要与肿瘤的基因组成有关。因此可以说,肿瘤类器官是一种将肿瘤相关基因组数据与肿瘤生物学联系起来的手段,为药物筛选和个性化治疗提供研究基础。

各组织类器官主要应用一览(表格整理自参考文章1)

3.药物不良反应研究

药物不良反应,特别是器官毒性是药物开发失败和上市后撤回的主要原因,目前通用的细胞筛选和动物模型筛选常常不能准确预测人体的不良反应发生。肾脏和肝脏毒性是最常发生的器官毒性,而人工制备的肾脏和肝脏类器官可以为毒性预测提供更准确的手段,其中肾脏类器官已被证明可以阐释顺铂和庆大霉素带来的肾毒性。

类器官在不良反应研究中的优势还体现在遗传稳定性和高通量筛选的重现性。例如,人类肾元祖细胞在三维培养中具有近乎无限的自我更新能力,这对于肾毒性筛选的标准化是一大帮助。最近,美国FDA开始测试三维“肝脏类器官”芯片,以检测食品添加剂、营养补充剂和化妆品中所使用化合物的肝毒性。

二维细胞、三维类器官和动物模型之间的对比(图片整理自参考文章1)

4.为基因和细胞疗法服务

功能性类器官移植(或来自类器官的细胞)已出现在结肠、肝脏、胰腺、视网膜和甲状腺等组织实验中。不同层次的证据被用来支持其功能,包括与自然生理组织的形态相似性,宿主连接(通过血管或神经突触)性,上皮通透性以及治疗能力等。

基因组编辑也被用于纠正CFTR的突变,并恢复囊性纤维化患者结肠类器官中CFTR蛋白的功能。未来的细胞疗法,类器官技术将会是细胞来源之一。然而,还需要更多的研究来评估这些方法的有效性和安全性,诱导多能干细胞带到临床的将是很重要的一个努力方向。

尽管我们已经在类器官研究方面取得了非常显著的进展,但该领域目前仍面临着诸多挑战,包括制备方法的复杂多变和标准化的缺乏。所幸的是生物工程技术也在高速发展,给我们解决这些问题提供了更多手段。

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类器官技术的挑战&未来

1.类器官的胞外基质和细胞组成

当前的高通量筛选主要依赖细胞和酶水平的筛选,但是动物来源的特性和化学性胞外基质之间的差异可能会干扰结果,商品化的基质凝胶无法再现体内生物行为的动态变化。在将基础研究结果转化为临床应用的过程中,这些外源性风险也会造成这样或那样的问题,增加了药物临床开发失败的几率。基质工程技术可以根据需要改变胞外生理生化特性,合成外源差异较小的基质,提高类器官的重现性。

缺少诸如血管形成、神经支配等重要的生理过程体现,可能是类器官研究的一个阻碍。虽然有些类器官在移植时已形成血管化,但缺乏关于体外血管类器官培养的报道。间质-肿瘤的相互作用对肿瘤的发生和转移具有重要意义,为了研究肿瘤的发生,在类瘤细胞中加入了多种基质成分,如免疫细胞、内皮细胞等。外周神经系统在组织稳态和修复中起着重要的作用,但很少在类器官中表现出来。为此,最近的一项研究通过包括多功能干细胞来源的神经嵴细胞,生成了具有功能性肠神经系统的人体肠道类器官。

用来制造类器官的原始材料可能会带来可变性,从患者诱导的多能干细胞中提取的类器官存在微小但可检测的变异,这些变异取决于患者的年龄和遗传背景以及研究组使用的培养方案。CRISPR-Cas9技术可用于设计具有同基因背景的类器官,从而减少变异。其他的创新可以减少培养条件的变化,由于肿瘤的异质性,由患者肿瘤产生的肿瘤种类差异很大。培养基组成对肿瘤细胞和非肿瘤细胞的生长也有不同的影响。对大量肿瘤样细胞的系统研究和SENSOR研究可以回答关于这种变异如何影响临床应用的问题。

2.类器官的组织结构

类器官培养依赖于自组织(self-organization),有时会导致组织结构异常。组织结构可以通过提供由生物材料制成或用生物墨水打印的支架来改善。后一种技术已用于打印三维肾近端小管的可灌注组织芯片。这种“器官芯片”系统结合了微流体技术和类器官技术,为生物力学变量和生物活性分子传递提供了精确的控制。这些系统可以促进在组织水平上实时监测单细胞、细胞-细胞相互作用和代谢过程。然而,目前对类器官的研究普遍缺乏这种实时监测能力。这种技术的发展需要工程和生物学家之间的密切合作。在未来,成熟的生物材料和生物打印商业平台可能会加快发现的步伐。

类器官技术已与其它前沿科技有效地结合起来,当前挑战的解决可能会进一步提高类器官概括人类生理过程的精确性,最终使得类器官技术在疾病模型和药物开发领域取得长足进展。

参考文献

[1]Organoids-Preclinical Models of human Disease。

[2]Organoids as an in vitro model of human development and disease.

[3]Modeling colorectal cancer using CRISPR-Cas9–mediated engineering of human intestinal organoids.

[4]Use of Organoids to Characterize Signaling Pathways in Cancer Initiation.

干细胞:人类类器官的仓库

 

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来源干细胞者说

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点击次数:  更新时间:2019-03-28 16:53:43  【打印此页】  【关闭

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