類器官研究的發(fā)展歷程及理論與技術(shù)淺談

1. “organoid”曾被人定義為“細(xì)胞器”（Duryee and Doherty，1954）

2. “organoid”也被用于代表具有復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)的腫瘤（Nesland et al. , 1985）

3. “organoid”現(xiàn)在被廣泛定義為“類器官”，是指一種具有真實(shí)組織學(xué)規(guī)律排列的多種細(xì)胞的三維組合。

顯微鏡下海綿的細(xì)胞自發(fā)聚合分化

（圖片來源：把科學(xué)帶回家）

第一批哺乳動(dòng)物的類器官產(chǎn)生于60多年前，以“分解再聚集”為指導(dǎo)方法，1952年Moscona等人制備了雞中腎細(xì)胞懸液并嘗試構(gòu)建類器官。他們選用的組織來源于腎小管上皮細(xì)胞和間充質(zhì)細(xì)胞，當(dāng)這些細(xì)胞重新聚集和孵育時(shí)，上皮細(xì)胞首先聚集然后形成管狀。這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了雞胚細(xì)胞即使失去了原有的空間關(guān)系，也能在體外根據(jù)自身攜帶的某種信息完成自組裝過程。盡管這種配列方式還比較簡單，但仍然符合當(dāng)下對(duì)于“類器官”的定義。
 

隨后又有科學(xué)家研究不同物種之間的同一細(xì)胞能不能結(jié)合在一起？比如有研究人員將不同物種的心肌細(xì)胞混合在一起并同步跳動(dòng)，進(jìn)而又延伸出不同物種之間的不同細(xì)胞組合在一起能不能結(jié)合？通過科學(xué)家的探索發(fā)現(xiàn)組織特異性優(yōu)先于物種特異性，原因可能是細(xì)胞已被確定用于形成特定的組織。
 

那細(xì)胞自組織行為是由細(xì)胞本身表觀遺傳信息單獨(dú)決定還是需要其他誘導(dǎo)指令？1958年Auerbach和Grobstein又通過制備后腎間質(zhì)細(xì)胞懸液待其重聚后進(jìn)行培養(yǎng)。發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)具有誘導(dǎo)作用的組織接觸后才會(huì)形成管狀結(jié)構(gòu)，由此又衍生出一系列研究探索類器官形成的機(jī)制。
 

Malcolm Steinberg首先提出粘附假說，進(jìn)而延伸出這種粘附機(jī)制是否可以用最基礎(chǔ)的熱力學(xué)解釋，是否是基于自由能最低的理論即同型細(xì)胞結(jié)合所降低的自由能最多，結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，而不同細(xì)胞混合結(jié)合降低的自由能相對(duì)較少，因此細(xì)胞混合物最終會(huì)形成同質(zhì)群體。這樣粘附性有強(qiáng)到弱的細(xì)胞團(tuán)則按照由內(nèi)到外的方式排列，但是這種理論在后續(xù)的研究中也遇到挑戰(zhàn)。
 

盡管基礎(chǔ)研究任重而道遠(yuǎn)，但是以上所有的研究都在表明從結(jié)果上來看，類器官有一個(gè)很明顯的特征：自組織（Self-organization）。
 

類器官有多種構(gòu)建方法。類器官來源于干細(xì)胞包括：多能胚胎干細(xì)胞（embryonic stem cells，ESCs）、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（IPSCs）和器官限制性成體干細(xì)胞（ASCs），可僅通過細(xì)胞本身攜帶的信息完成構(gòu)建也可以通過支架系統(tǒng)誘導(dǎo)構(gòu)建。

2009年，荷蘭科學(xué)家Hans Clevers團(tuán)隊(duì)使用單個(gè)鼠Lgr5+腸干細(xì)胞，在體外自組織成具有隱窩-絨毛結(jié)構(gòu)的腸道類器官。研究人員將單個(gè)Lgr5+腸干細(xì)胞包埋進(jìn)基質(zhì)膠（一種富含胞外基質(zhì)蛋白的凝膠，提供接近體內(nèi)的微環(huán)境，中國Mogengel公司生產(chǎn)及美國康寧公司生產(chǎn)）中。

Hans等（2009）提出的腸道類器官的制備方法，分離的腸道干細(xì)胞被含有特定分子信號(hào)的基質(zhì)膠（Mogengel Cat.082703）包裹后增殖，迅速發(fā)生極化，形成小囊，其中一部分細(xì)胞進(jìn)行對(duì)稱分裂，產(chǎn)生干細(xì)胞后代，另一部分打破對(duì)稱性發(fā)生分化。

但是，該類腸道類器官均培養(yǎng)于凝固的基質(zhì)膠中，其腸絨毛被包裹于腔體內(nèi)部，不利于腸道病毒的感染及免疫學(xué)等相關(guān)研究。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州獸醫(yī)研究所劉光亮研究員的團(tuán)隊(duì)通過去除成熟的豬腸道類器官培養(yǎng)系統(tǒng)中的基質(zhì)膠，將其懸浮培養(yǎng)后，原本腸絨毛內(nèi)置的類器官發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，其絨毛展示于類器官外表面，從而成功獲得腸絨毛外置的極性反轉(zhuǎn)類器官。腸絨毛外翻后的3D類器官可在培養(yǎng)體系中與病原自由接觸，完全符合生理狀態(tài)下病原-宿主互作模式，其得到的結(jié)果也更為真實(shí)準(zhǔn)確。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《病毒學(xué)雜志（Journal of Virology）》上。



參考文獻(xiàn)