類(lèi)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(gè)小腸類(lèi)器官,開(kāi)啟了類(lèi)器官研究的時(shí)代。此后,類(lèi)器官在短短十多年的時(shí)間里,在科學(xué)研究領(lǐng)域逐漸繁榮起來(lái),成為體外模型系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。本文我們將介紹類(lèi)器官的發(fā)展歷史、構(gòu)建與制備、類(lèi)別和應(yīng)用。
1、什么是類(lèi)器官?
顧名思義,類(lèi)器官和真正的器官非常相似,從專(zhuān)業(yè)角度闡釋?zhuān)?lèi)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(lái)講就是類(lèi)器官是一個(gè)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(shí)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(lèi)器官的三個(gè)特征:
- ● 細(xì)胞能夠通過(guò)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(guò)濾,排泄,神經(jīng)鏈接以及收縮功能等。
2、類(lèi)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(gè)新的功能完善的海綿[3]。在接下來(lái)的幾十年里,脊椎動(dòng)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(dòng)物腎組織實(shí)驗(yàn)[4]和1960年Weiss的禽類(lèi)胚胎實(shí)驗(yàn)[5]。1961年 Piercehe和 Verney觀(guān)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(shuō)(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(lái),干細(xì)胞研究自此蓬勃發(fā)展[7,8]。
1987年李茂林等人通過(guò)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(guó)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(guò)對(duì)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(duì)干細(xì)胞和類(lèi)器官研究有重大意義[12]。2008年,Sasai等人通過(guò)展示人類(lèi)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(lèi)腦器官的基礎(chǔ)[13]。2009年,Hans Clevers和他的同事首次證明了單個(gè)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(lèi)型的腸隱窩-絨毛結(jié)構(gòu).這開(kāi)啟了類(lèi)器官技術(shù)發(fā)展的新時(shí)代[14]。在此基礎(chǔ)上類(lèi)器官模型成為替代傳統(tǒng)細(xì)胞系和異質(zhì)動(dòng)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(lèi)器官[15]。腸類(lèi)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(lèi)大腦類(lèi)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(lèi)器官[17]。乳腺、輸卵管和海馬類(lèi)器官是在2015年研究得出的,蛇毒腺類(lèi)器官產(chǎn)生于2020年[18]。
圖1. 類(lèi)器官發(fā)展時(shí)間線(xiàn)
圖片來(lái)源:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7468890/
3、類(lèi)器官的構(gòu)建與制備
類(lèi)器官的形成:類(lèi)器官可以由兩種類(lèi)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(gè)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(lèi)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(lèi)器官。不同類(lèi)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(lèi)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(lèi)器官也是一種實(shí)用的方法。
圖2. 人類(lèi)不同類(lèi)器官的建立過(guò)程
圖片來(lái)源:https://journals.plos.org/plospathogens/article?id=10.1371/journal.ppat.1010080
類(lèi)器官構(gòu)建的三要素:
- ● 細(xì)胞分化物理特征
- ● 關(guān)鍵信號(hào)路徑的激活/抑制
- ● 原始細(xì)胞的類(lèi)型及條件
4、類(lèi)器官的類(lèi)別及應(yīng)用
自2009年成功建立上皮類(lèi)器官以來(lái),類(lèi)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。
圖3. 類(lèi)器官及應(yīng)用
圖片來(lái)源:https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.05.043
Jay Gopalakrishnan 的團(tuán)隊(duì)成功地在大腦類(lèi)器官中誘導(dǎo)出雙邊對(duì)稱(chēng)的視杯,并發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)可以感知光,同時(shí)向其他區(qū)域的大腦發(fā)送信號(hào)。當(dāng)這些類(lèi)器官生長(zhǎng)50-60天后,原來(lái)的“眼睛”發(fā)育成一兩個(gè)成熟的可見(jiàn)視泡結(jié)構(gòu),稱(chēng)為視泡腦類(lèi)器官(OVB-organoids)。這項(xiàng)研究首先在功能上將視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)整合到大腦類(lèi)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(guò)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(wú)數(shù)視網(wǎng)膜疾病患者的治愈帶來(lái)希望。
現(xiàn)在,科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)了更精確的合成環(huán)境,通過(guò)用信號(hào)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(lèi)器官工程技術(shù)對(duì)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(guò)多能干細(xì)胞構(gòu)建的類(lèi)器官還可以取代受損或者患病的組織,類(lèi)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(guò)類(lèi)器官來(lái)模擬人類(lèi)發(fā)育和疾病,因?yàn)轭?lèi)器官是從人類(lèi)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(zhǎng)而來(lái)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(lèi)器官模型,同時(shí)意味著可以利用源自患者干細(xì)胞的類(lèi)器官系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行個(gè)性化藥物功效測(cè)試,為患者提供更加精準(zhǔn)的治療方法。
雖然類(lèi)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(shí)驗(yàn)等廣泛學(xué)科的工具,類(lèi)器官技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力。
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