類器官技術(shù)介紹、優(yōu)勢和生成方法

類器官技術(shù)“爆紅”的背后，是“趕時髦”科研還是有“真材實料”呢？

   

一直以來，“類器官”一詞被寬泛地用于所有來源于原代組織 (組織亞基或單細胞)、胚胎干細胞 (ESCs) 和誘導(dǎo)多能干細胞 (iPSCs)、已建立的細胞系以及完整或分段器官 (如由多種組織類型組成的器官外植體) 的三維 (3D) 器官型培養(yǎng)。

我們可以這樣理解，類器官是完全由原代組織、ESCs 或 iPSCs 衍生而來的體外 3D 細胞簇，它們具有自我更新和自組織能力，并表現(xiàn)出與起源組織相似的器官功能。

   

其實，3D 類器官培養(yǎng)是在上個世紀建立和發(fā)展起來的。早在 1907 年，Wilson 等人首次表明，分離的海綿細胞能夠自組織再生成整個生物體。2009 年，Hans Clevers 和同事在腸道類器官培養(yǎng)系統(tǒng)中取得突破性進展，開啟了類器官技術(shù)的發(fā)展“新紀元”。

目前，已有方法可以構(gòu)建肝臟、結(jié)腸、腸道、腎臟、肺、前列腺、胰腺、胃、大腦皮層和視網(wǎng)膜等多種組織的類器官。體外類器官模型是一項重大的技術(shù)突破，它為研究組織發(fā)育、疾病建模、藥物篩選、個性化醫(yī)學(xué)和細胞治療提供了一個強大的工具 。

 

圖 1. 類器官技術(shù)的多樣化應(yīng)用^[2]

 

■ 與傳統(tǒng)細胞培養(yǎng)及動物模型對比，其秀在何處？ 
1) 與傳統(tǒng)的體外培養(yǎng)不同，類器官在組成和結(jié)構(gòu)上與原代組織 (Primary tissue) 相似：包含了少量基因組穩(wěn)定、自我更新的干細胞，這些子代的細胞譜系與活組織的主要細胞譜系相似；

2) 類器官可以快速擴增、冷凍保存，且能應(yīng)用于高通量分析；

3) 原發(fā)組織來源的類器官缺乏間充質(zhì)/間質(zhì)，為研究感興趣的組織類型提供了一種簡化的途徑，而不受局部微環(huán)境的干擾；

4) 類器官是傳統(tǒng) 2D 培養(yǎng)和體內(nèi)小鼠模型之間的重要橋梁，因為它們比單層培養(yǎng)模型更具有生理相關(guān)性，而且比體內(nèi)模型更易于操縱生態(tài)位成分、信號通路和基因組編輯。

 

 

圖 2. 建立小鼠可再生的腎類器官應(yīng)用于腎毒性劑量定量篩選^[12]

文中所用 Noggin, R-spondin 1, SB431542, CHIR99021, FGF-4, FGF-basic 源自 MCE。

 

在藥物篩選 (Drug screening) 中，2D 培養(yǎng)缺乏組織結(jié)構(gòu)和復(fù)雜性，這可能是藥物篩選結(jié)果多次不能重現(xiàn)體內(nèi)環(huán)境的原因，而患者來源的類器官 (PDO) 高度概括了腫瘤來源的特征，具有更高的敏感性、異質(zhì)性和穩(wěn)定性，與傳統(tǒng)的患者來源的癌細胞系 (PDC) 模型和人源腫瘤異種移植 (PDX) 模型相比，具有無可比擬的優(yōu)勢 (如圖 3)。

文中所用 Noggin, R-spondin 1, FGF-basic 源自 MCE。

 

此外，癌癥類器官還可以在芯片上進行保存、復(fù)蘇、無限傳遞和機械培養(yǎng)，用于藥物篩選。許多影響人類的致病病毒表現(xiàn)出物種特異性，對新型病毒生物學(xué)的理解很大程度上依賴于允許病毒復(fù)制的體外模型，近期，類器官被用于 COVID-19 的研究，彌合了細胞系和體內(nèi)動物模型之間的差距。

這么多優(yōu)點，應(yīng)用這么廣泛，類器官技術(shù)這把火恐怕還不夠旺?！

 

圖 4. 類器官培養(yǎng)與 2D 細胞培養(yǎng)及動物實驗研究的比較^[5]

 

 

類器官可以由兩種類型的細胞生成：1) 多能干細胞 (PSC)，例如胚胎干細胞 (ESC) 和誘導(dǎo)多能干細胞 (iPSC)；2) 器官限制性成體干細胞 (ASC)。在適當(dāng)?shù)臈l件下，用細胞外基質(zhì)培養(yǎng)，如 Matrigel，輔以各種生長因子，促進干細胞增殖與分化，并自組織成功能性 3D 結(jié)構(gòu)。
 

各種組織的類器官的培養(yǎng)方法是類似的，可以簡單得概括為：

1) 類器官可以從原代組織中產(chǎn)生，把原生組織被分解成含有干細胞的功能性亞組織單元，再進一步消化成單個細胞并進行流式細胞分選以富集干細胞。源自 ESC 和 iPSC 的類器官向所需的胚系進行定向分化，最終聚集產(chǎn)生浮動的球狀體，隨后被嵌入細胞外基質(zhì)開始類器官培養(yǎng)（如圖 5）。 

2) 可操縱的培養(yǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)定向分化：類器官通常在細胞外基質(zhì) (ECM) 中進行培養(yǎng)，ECM 周圍是補充了類器官類型特定的生態(tài)位 (Niche) 因子的培養(yǎng)基。常見的 Niche 和 ECM 因子包括了 R-spondin、EGF、Noggin、Activin A、Collagen 等。

3) 干細胞在類器官中保持并長存，即保持“干性”，并且不斷產(chǎn)生分化的多種細胞類型子代，這些細胞類型自組織成功能性 3D 結(jié)構(gòu)。另外，3D 類器官可以解離，并鍍到涂有基底膜基質(zhì) (MG) 或膠原蛋白 (collagen) 的膜支持物上，形成 2D 單層類器官模型。

 

圖 6. 原代組織和 ESCs/iPSCs 產(chǎn)生和培養(yǎng)類器官^[6]

類器官可自發(fā)地分化，或通過添加適當(dāng)?shù)姆只�因�?/span>和/或撤除促進干細胞特性的因子，以誘導(dǎo)分化得到所需的譜系或細胞類型。

 

類器官的培養(yǎng)離不開誘導(dǎo)細胞分化的細胞因子，MCE 提供各種類器官培養(yǎng)用細胞因子，高活性、高純度、低內(nèi)毒素！此外，類器官培養(yǎng)所需小分子小 M 也一并貼心奉上~~向培養(yǎng)基中加入神奇“魔法”，收獲強大的研究工具！

 

細胞因子

Human EGF 上皮組織生長因子；EGF 與 EGF 受體結(jié)合，誘導(dǎo)增生性變化。 胃腸道、肝臟、甲狀腺、腦等類器官培養(yǎng)所需因子。

Human FGF-2/4/9/10 FGFs 在早期發(fā)育中對中胚層誘導(dǎo)、肢體發(fā)育、神經(jīng)誘導(dǎo)和神經(jīng)發(fā)育有重要作用。在成熟組織中，F(xiàn)GFs 對血管生成、角質(zhì)形成細胞組織和傷口愈合過程至關(guān)重要。 例如 FGF-basic (FGF-2)、FGF-10 是常見的類器官培養(yǎng) Niche 因子，如肝臟類器官、前列腺類器官。

Human HGF HGF/Met 信號通路促進腫瘤的生長、侵襲和遷移。 HGF 可充當(dāng)肝細胞的有絲分裂原，用于肝類器官培養(yǎng)。

Human Wnt3a Wnt 參與調(diào)節(jié)細胞發(fā)育、增殖、分化、粘附、極性、細胞-細胞通信、生存和自我更新功能。 Wnt3a 在類器官的擴展能力中起著重要的作用，是最常用培養(yǎng)因子之一。

Human BMP-4 BMP 在胚胎發(fā)生、發(fā)育和維持組織穩(wěn)態(tài)中起著至關(guān)重要的作用。  體外實驗中，BMP-2 和 BMP-4 被廣泛應(yīng)用于誘導(dǎo)多能干細胞 (iPSC) 和胚胎干細胞 (ESC) 產(chǎn)生肝細胞。

Human Noggin 骨形態(tài)發(fā)生蛋白的內(nèi)源性抑制劑，調(diào)節(jié)細胞分化、增殖和凋亡。 Noggin 是最基礎(chǔ)的類器官培養(yǎng)因子之一。

Human DKK-1 DKK-1 是典型的 Wnt 抑制劑，可誘導(dǎo)視網(wǎng)膜前體自組織。

小分子抑制劑

Y-27632 dihydrochloride  Rho 激酶抑制劑；常用于類器官構(gòu)建。

A 83-01 ALK4/5/7 抑制劑；抑制類器官的增殖。

MCE 的所有產(chǎn)品僅用作科學(xué)研究或藥證申報，我們不為任何個人用途提供產(chǎn)品和服務(wù)。

 
 

參考文獻

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