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類器官概述

Hans Clever 在2009年利用Lgr5+腸道干細(xì)胞成功培養(yǎng)出首個小腸類器官,開啟了類器官研究的時代。此后,類器官在短短十多年的時間里,在科學(xué)研究領(lǐng)域逐漸繁榮起來,成為體外模型系統(tǒng)研究的熱點。本文我們將介紹類器官的發(fā)展歷史、構(gòu)建與制備、類別和應(yīng)用。

1、什么是類器官?

顧名思義,類器官和真正的器官非常相似,從專業(yè)角度闡釋,類器官是體外的3維立體微型細(xì)胞簇,高度模擬體內(nèi)相應(yīng)器官的結(jié)構(gòu)和功能[1]。通俗來講就是類器官是一個體外構(gòu)成的具有自我更新,自我組織能力的微型器官,與真實的器官具有相似的空間組織并且能夠執(zhí)行原始器官功能。

類器官的三個特征:

  • ● 細(xì)胞能夠通過空間組織和細(xì)胞特異化自行組織,重現(xiàn)原始器官功能;
  • ● 含有一種以上與原始器官相同的細(xì)胞[2];
  • ● 能夠再現(xiàn)原始器官的某些功能,例如:過濾,排泄,神經(jīng)鏈接以及收縮功能等。

2、類器官的發(fā)展歷程

1907年,Henry Van 發(fā)現(xiàn)物理分離的海綿細(xì)胞可以重現(xiàn)聚集,自行組成一個新的功能完善的海綿[3]。在接下來的幾十年里,脊椎動物中也發(fā)現(xiàn)了相似的細(xì)胞分離再聚合現(xiàn)象,例如1944年Holtfreter的兩棲動物腎組織實驗[4]和1960年Weiss的禽類胚胎實驗[5]。1961年 Piercehe和 Verney觀察到胚狀體的體外分化[6],隨后在1964年 Steinberg提出了細(xì)胞分化的差異粘附假說(DAH),1981年多功能干細(xì)胞(PSCs)被首次從小鼠的胚胎中分離出來,干細(xì)胞研究自此蓬勃發(fā)展[7,8]

1987年李茂林等人通過模擬生物體內(nèi)微生物環(huán)境優(yōu)化了細(xì)胞培養(yǎng)條件。研究表明,EHS (小鼠肉瘤:Engelbreth-Holm-Swarm) ECM(細(xì)胞外基質(zhì):extracellular matrix)提取物中,乳腺上皮細(xì)胞可組織成3D導(dǎo)管和小導(dǎo)管[9],此外,Shannon JM在ECM細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞分化[10]。但是直到 1998 年,美國生物學(xué)家 James Thomson 才首次從人胚泡中分離培養(yǎng)出人胚胎干細(xì)胞[11]。

2006年,通過對小鼠和人成纖維細(xì)胞進(jìn)行重組編程,成功制備了人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSCs),這對干細(xì)胞和類器官研究有重大意義[12]。2008年,Sasai等人通過展示人類大腦誘導(dǎo)多能干細(xì)胞自組織到形成極化皮質(zhì)組織的神經(jīng)細(xì)胞,奠定了類腦器官的基礎(chǔ)[13]。2009年,Hans Clevers和他的同事首次證明了單個Lgr5+腸道干細(xì)胞(ASCs)可以自行組織分化形成包含所有腸細(xì)胞類型的腸隱窩-絨毛結(jié)構(gòu).這開啟了類器官技術(shù)發(fā)展的新時代[14]。在此基礎(chǔ)上類器官模型成為替代傳統(tǒng)細(xì)胞系和異質(zhì)動物模型的新型研究模型。2010年,研究發(fā)現(xiàn)小鼠胚胎腎干細(xì)胞分離再組合可形成腎類器官[15]。腸類器官可從體外誘導(dǎo)多能干細(xì)胞生成。

Nakano等在2012年證明了在三維構(gòu)建中PSCs自行組織成為了視杯結(jié)構(gòu)。2013年,人類大腦類器官由小頭患者的iPSCs細(xì)胞分化形成[16]。Lee等人發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞和成年細(xì)支氣管肺泡干細(xì)胞在三維共培養(yǎng)模式下可產(chǎn)生肺類器官[17]。乳腺、輸卵管和海馬類器官是在2015年研究得出的,蛇毒腺類器官產(chǎn)生于2020年[18]。

類器官發(fā)展時間線

圖1. 類器官發(fā)展時間線

圖片來源:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7468890/

3、類器官的構(gòu)建與制備

類器官的形成:類器官可以由兩種類型細(xì)胞產(chǎn)生,一是多能干細(xì)胞(PSCs),例如胚胎干細(xì)胞(ESCs)、誘導(dǎo)干細(xì)胞(iPSCs),或器官限制性成體干細(xì)胞(ASCs)。這些細(xì)胞被培養(yǎng)在一個特定的環(huán)境中,允許它們遵循根深蒂固的基因指令,自x行組織成功能性的3D結(jié)構(gòu)。

從各種組織中培養(yǎng)類器官的方法是相似的。干細(xì)胞最常在基質(zhì)中培養(yǎng),并在合適的外源因子(包括化學(xué)小分子抑制劑/激活劑、細(xì)胞因子和培養(yǎng)基添加劑)的存在下誘導(dǎo)形成相應(yīng)器官的類器官。不同類器官的制備需要不同的添加劑組合。即使是結(jié)構(gòu)非常相似的組織,如小腸和結(jié)腸,制備類器官所需的添加劑組合也是不同的。此外,直接從患者的腫瘤中生成類器官也是一種實用的方法。

人類不同類器官的建立過程

圖2. 人類不同類器官的建立過程

圖片來源:https://journals.plos.org/plospathogens/article?id=10.1371/journal.ppat.1010080

類器官構(gòu)建的三要素:

  • ● 細(xì)胞分化物理特征
  • ● 關(guān)鍵信號路徑的激活/抑制
  • ● 原始細(xì)胞的類型及條件

4、類器官的類別及應(yīng)用

自2009年成功建立上皮類器官以來,類器官培養(yǎng)已應(yīng)用于各種器官,包括:大腦(brain)、視杯(Optic Cup)、內(nèi)耳(Inner Ear)、肺(lung)、肝(liver)結(jié)腸(Colon)、腎(Kidney)、胰腺(Pancreatic)、前列腺(Prostate)、胃(Gastroids)、乳腺(galactophore)等。

類器官及應(yīng)用

圖3. 類器官及應(yīng)用

圖片來源:https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.05.043

Jay Gopalakrishnan 的團(tuán)隊成功地在大腦類器官中誘導(dǎo)出雙邊對稱的視杯,并發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)可以感知光,同時向其他區(qū)域的大腦發(fā)送信號。當(dāng)這些類器官生長50-60天后,原來的“眼睛”發(fā)育成一兩個成熟的可見視泡結(jié)構(gòu),稱為視泡腦類器官(OVB-organoids)。這項研究首先在功能上將視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)整合到大腦類器官中,在體外系統(tǒng)中再現(xiàn)神經(jīng)纖維從視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)向外延伸以連接大腦的目標(biāo)區(qū)域。該系統(tǒng)可以幫助研究胚胎發(fā)育過程中的“腦-眼”相互作用,為視網(wǎng)膜疾病的探索和治療提供有力的工具,為無數(shù)視網(wǎng)膜疾病患者的治愈帶來希望。

現(xiàn)在,科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)了更精確的合成環(huán)境,通過用信號蛋白修飾基質(zhì)的生物惰性區(qū)域,可以更好地控制干細(xì)胞的活性。類器官工程技術(shù)對于一些體內(nèi)環(huán)境成分復(fù)雜、需要精確建模的發(fā)育研究特別有用。通過多能干細(xì)胞構(gòu)建的類器官還可以取代受損或者患病的組織,類器官本身自我更新自我組織的這一功能在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有重要作用。

研究人員可以通過類器官來模擬人類發(fā)育和疾病,因為類器官是從人類干細(xì)胞或成年細(xì)胞產(chǎn)生的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞生長而來的,它們的成分和結(jié)構(gòu)也與原發(fā)組織相似,并且易于操作和冷凍保存。利用活檢技術(shù)就可以培養(yǎng)與病人具有遺傳相似性的類器官模型,同時意味著可以利用源自患者干細(xì)胞的類器官系統(tǒng)來進(jìn)行個性化藥物功效測試,為患者提供更加精準(zhǔn)的治療方法。

雖然類器官技術(shù)在研究界的廣泛應(yīng)用還處于起步階段,但作為研究發(fā)育生物學(xué)、疾病病理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、再生機(jī)制、精準(zhǔn)醫(yī)療、藥物毒性和藥效實驗等廣泛學(xué)科的工具,類器官技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力。

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