多能干細胞和成體干細胞在類器官培養(yǎng)中的應(yīng)用

 

類器官在器官發(fā)育、疾病建模、藥物開發(fā)和器官再生的研究中具有巨大的潛力。來自不同組織的類器官已經(jīng)從成體干細胞 (ASCs) 和多能干細胞 (PSCs) 中建立，它們可以在培養(yǎng)中無限增殖，具有分化和重組的能力，以模仿它們的源器官。

由于不同的細胞類型起源于不同的發(fā)育階段和遵循不同的路徑，因此，在研究類器官形成機制時，起始細胞群的選擇尤為重要。

 

圖 1. ASCs 和 PSCs 衍生的類器官培養(yǎng)方案^[1]

A: 源于 ASCs 的類器官：原發(fā)組織活檢或切除組織制備成單細胞懸液，然后立即嵌入細胞外基質(zhì) (ECM) 中，隨著組織的生長而變化，添加并定期改變培養(yǎng)基中的多種生長因子，直到類器官擴大 (Expanded)。B: 源于 PSCs 衍生的類器官：PSCs 的 2D 干細胞培養(yǎng)物 (球狀體) 被嵌入細胞外基質(zhì)，在 3D 培養(yǎng)基根據(jù)最終需要的組織類型的特定分化信號進行培養(yǎng)。

 

類器官內(nèi)細胞的組成和組織是由正在生長的組織的特性決定的，這反過來又影響了類器官的整體大小和形狀。

 

 

PSCs 來源的類器官對于不易獲得組織樣本的器官，例如大腦的建模和模擬器官發(fā)生的發(fā)育過程是極富有前景的平臺。一些類型的類器官僅能由 PSCs 構(gòu)建，包括神經(jīng)外胚層類器官，如視神經(jīng)杯和大腦類器官，以及中胚層腎臟類器官。

 

內(nèi)胚層衍生的上皮類器官，如胃腸道和呼吸類器官，也可以由 PSCs 構(gòu)建。PSCs 可以分化成內(nèi)胚層祖細胞，然后嵌入富含 ECM 蛋白的基質(zhì)中，它們在適當(dāng)?shù)拇碳は鲁墒�，形成類似于天然器官的結(jié)構(gòu)。與其 ASCs 衍生的類似物相比，它們還包含間充質(zhì)層，通常較大，但一旦建立，就不能通過簡單的傳代“再繁衍”。

從 ESCs/iPSCs 產(chǎn)生的類器官有 (神經(jīng)外胚層) 視神經(jīng)杯、大腦、 腺垂體、小腦；(內(nèi)胚層) 胃、小腸、肝臟、肺、甲狀腺；(中段中胚層) 腎。

 

圖 2. 由 PSCs 生長的各種類器官和發(fā)育信號^[2]

 

在體外，PSCs 衍生的類器官很難達到成體組織階段，通常類似于胎兒期組織，其原因有兩種可能：一是類器官發(fā)育需要長時間的條件限制培養(yǎng)，而實際培養(yǎng)能力有限；二是由于體外完全重現(xiàn)胚胎發(fā)育過程的能力有限，PSCs 衍生類器官細胞丟失與共發(fā)育細胞之間的關(guān)鍵相互作用。

 

 

ASCs 衍生的類器官是通過直接解離感興趣的組織 (包含內(nèi)在的 ASC)，并在組織特異性生長因子條件下長時間培養(yǎng)來構(gòu)建的。首個類器官的建立，就是通過 Lgr5⁺ 構(gòu)建的小腸類器官 (見: 腸道類器官培養(yǎng)基，固定搭配還是 DIY？)。對于 ASCs 衍生的類器官，Wnt 信號通路激活是其建立的關(guān)鍵。這些類器官來源于從單細胞分選或解剖組織碎片中獲得的 Lgr5⁺ 干細胞，它們在含有 Wnt 激活劑 (如 R-spondin1，在某些情況下還含有 Wnt3a) 的器官特異性培養(yǎng)基中生長。

 

ASCs 衍生類器官方案比 ESCs/iPSCs 衍生類器官更簡單，與 PSCs 衍生的類器官相比，從 ASCs 生成成熟類器官的過程僅需幾天。表面外胚層譜系的類器官 (特別是腺體組織) 主要來自于 ASCs 或分離的成體組織。可以從人類 ASCs 培養(yǎng)出的類器官包括結(jié)腸、小腸、肝臟、前列腺、胰腺、輸卵管、胃、舌和子宮內(nèi)膜。

 

基于 ASCs 的類器官用于模擬各種疾病，通常利用來自單基因疾病患者的細胞建立。除了單基因疾病建模外，基于 ASCs 的類器官也已應(yīng)用于癌癥建模。在藥物篩選方面，除了基本的藥物篩選外，患者來源的類器官也適合在個性化治療中進行篩選。

 

 

源于 ASCs 的類器官模擬體干細胞的動態(tài)維持，而源于 ESCs/iPSCs 的類器官則概括了相應(yīng)器官的發(fā)育。雖然兩者都保留了原始細胞的遺傳信息，源于 ASCs 的類器官傾向于直接復(fù)制原始的組織表型。相比之下，可能基于 ESCs/iPSCs 的多能性潛力，來自 ESCs/iPSCs 的類器官似乎能形成更復(fù)雜結(jié)構(gòu)。然而實際上，ASCs 構(gòu)建類器官的 Protocol 比 ESCs/iPSCs 的更簡單，因為 ASCs 已經(jīng)致力于組織特異性分化。

 

圖 3. 源于 ESCs/iPSCs 和 ASCs 的類器官的優(yōu)點和局限性比較^[3]

 

盡管 PSCs 和 ASCs 衍生的類器官都可以在培養(yǎng)物中長期生長，但它們有明顯的差異，體現(xiàn)在它們所代表的發(fā)育階段，所包含的細胞類型以及復(fù)雜性上。

 

從 PSCs 衍生的類器官比從 ASCs 衍生的類器官稍微復(fù)雜一些: 胃腸道類器官就是一個明顯的例子，源自 ASCs 的類器官僅包含器官特異性上皮細胞和干細胞，而源自 PSCs 的類器官則包含上皮細胞和間充質(zhì)細胞，包括成纖維細胞和平滑肌，因為 PSCs 能夠分化成任何細胞類型。

圖 4. 已經(jīng)建立的不同器官和組織的類器官培養(yǎng)^[5]

今天，小 M 的介紹就到這里了，關(guān)于類器官培養(yǎng)，小伙伴還想知道什么呢？

相關(guān)產(chǎn)品

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 是類器官構(gòu)建最常用的培養(yǎng)因子之一。

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

R-spondin-1 R-spondin-1 在干細胞的自我更新和 Wnt 信號的激活中發(fā)揮作用。它能誘導(dǎo)腸隱窩上皮細胞增殖，促進腸上皮愈合，支持腸上皮干細胞更新，是小鼠/人類器官祖干細胞維持和增殖的關(guān)鍵因子。

Noggin Noggin 是骨形態(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。它是最基礎(chǔ)的類器官培養(yǎng)因子之一。

BMP-2、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。

CHIR-99021 選擇性的 GSK3 抑制劑，可用于類器官的生成。CHIR99021+Valproic acid 或 CHIR99021+LDN-193189，可協(xié)同促進 Lgr5+  ISCs 在自我更新和未分化狀態(tài)下的維持，得到富含 ISCs 的培養(yǎng)。

Valproic acid HDAC 的抑制劑；在類器官培養(yǎng)中，Valproic acid 和 CHIR99021 的組合可協(xié)同促進 Lgr5+ ISCs 在自我更新和未分化狀態(tài)下的維持，得到富含 ISCs 的培養(yǎng)。

LDN-193189 一種選擇性的 BMP I 型受體抑制劑，抑制 ALK2 和 ALK3 的 IC50 分別為 5 nM 和 30 nM。

IWP-2 Wnt 加工和分泌的抑制劑，其 IC50 為 27 nM。

DAPT 可抑制 Notch 1 信號傳導(dǎo)并誘導(dǎo)細胞分化。

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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