人生一定要努力，努力是人生的一種精神狀態(tài)。Nature Methods 如此評(píng)價(jià)類器官（Organoids）技術(shù)：利用干細(xì)胞直接誘導(dǎo)生成三維組織模型，為人類生物學(xué)研究提供了強(qiáng)大的方法，目前對(duì)于這種工具的研究正在不斷發(fā)展進(jìn)步中。 撰文：挑食的免疫喵 來(lái)源：閑談 Immunology 類器官（Organoid）是在體外用3D培養(yǎng)技術(shù)對(duì)干/祖細(xì)胞進(jìn)行誘導(dǎo)分化形成的在結(jié)構(gòu)和功能上都類似目標(biāo)器官/組織的三維細(xì)胞復(fù)合體。類器官其具有穩(wěn)定的表型和遺傳學(xué)特征，能夠在體外長(zhǎng)期培養(yǎng)。類器官是2017年度Nature Methods評(píng)選的方法, 細(xì)胞可來(lái)源于人體，結(jié)構(gòu)類似于器官，則可以作為接近人體的研究模型, 進(jìn)行科學(xué)研究和藥物篩選。 1
成體干細(xì)胞衍生的類器官培養(yǎng)，通常是將制備好的成體干細(xì)胞單細(xì)胞懸液，加入到細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）水凝膠中來(lái)建立的。例如腸道類器官，從小腸或結(jié)腸分離出的隱窩細(xì)胞可以培養(yǎng)出類器官，從分離的成人腸干細(xì)胞中也可以培養(yǎng)出類器官。上皮類器官的培養(yǎng)基是以添加與其器官相關(guān)的生長(zhǎng)因子培養(yǎng)基為基礎(chǔ)的。因此，從不同組織(如呼吸道、肝臟、胰腺、皮膚、膀胱、大腦、心臟)提取的細(xì)胞，要在培養(yǎng)基中補(bǔ)充相關(guān)生長(zhǎng)因子。大腦類器官培養(yǎng)過(guò)程如下圖：誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）衍生細(xì)胞在神經(jīng)誘導(dǎo)介質(zhì)中生長(zhǎng)，產(chǎn)生神經(jīng)外胚層，嵌入凝膠中，并在旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器或軌道搖床中生長(zhǎng)，以更好地?cái)U(kuò)散，獲得三維腦器官。在暴露于維甲酸的情況下，大腦器官通過(guò)自我組裝模式，形成自締和組織，形成包括放射狀膠質(zhì)細(xì)胞在內(nèi)的不同種群的神經(jīng)祖細(xì)胞，這些神經(jīng)祖細(xì)胞擴(kuò)展形成大腦結(jié)構(gòu)。
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一般來(lái)說(shuō)，上皮細(xì)胞出現(xiàn)在機(jī)體和外界最先接觸的器官，比如皮膚，氣管，肺，消化道，是機(jī)體對(duì)抗病原體侵染的第一層屏障，也是第一個(gè)對(duì)病原體感染作出反應(yīng)的細(xì)胞。為了維持體內(nèi)平衡，并提供對(duì)感染的快速反應(yīng)，上皮細(xì)胞與免疫細(xì)胞密切配合。所以在上皮區(qū)域，也是全身免疫細(xì)胞濃度最高的區(qū)域。建立上皮細(xì)胞和免疫細(xì)胞相互作用的模型，是研究抗感染免疫和損傷后免疫的重要手段。上皮細(xì)胞類器官的建立，可以非常精準(zhǔn)的模擬機(jī)體上皮環(huán)境，也被發(fā)展起來(lái)研究上皮和免疫細(xì)胞相互作用。用存在于細(xì)胞外基質(zhì)中的重組細(xì)胞因子處理類器官，評(píng)價(jià)免疫細(xì)胞衍生細(xì)胞因子對(duì)于上皮細(xì)胞的影響。如IL-4和IL-13促進(jìn)叢生細(xì)胞分化，而IL-22支持干細(xì)胞增殖和存活。 將器官消化到單個(gè)細(xì)胞，然后在免疫細(xì)胞存在的情況下，再生長(zhǎng)。用于評(píng)估免疫細(xì)胞和免疫細(xì)胞衍生的細(xì)胞因子（可溶性或膜結(jié)合）對(duì)器官生長(zhǎng)和分化的影響，以及上皮細(xì)胞對(duì)免疫細(xì)胞表型的影響。 在ECM或生長(zhǎng)培養(yǎng)基（懸浮培養(yǎng)）中，向完整的類器官中添加（活化的）免疫細(xì)胞，如T細(xì)胞或固有淋巴樣細(xì)胞（ILCs），以評(píng)估免疫細(xì)胞與上皮細(xì)胞之間的相互作用。這些檢測(cè)的讀數(shù)通常包含消化形成的器官和隨后的轉(zhuǎn)錄（無(wú)論是（單細(xì)胞）RNA測(cè)序或定量PCR（Q PCR），成像和/或流式細(xì)胞術(shù)評(píng)估上皮細(xì)胞和/或免疫細(xì)胞表型。在這些共培養(yǎng)中使用的免疫細(xì)胞要么直接從小鼠組織（例如，脾細(xì)胞、腸上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞、固有層T細(xì)胞、固有層ILCs或肺ILC2s）中分類，要么直接從人外周血中提取，要么先在體外分化。
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胸腺是T淋巴細(xì)胞從祖細(xì)胞向成熟幼稚淋巴細(xì)胞分化的中心部位。來(lái)自骨髓的T淋巴祖細(xì)胞，在胸腺皮質(zhì)進(jìn)行陽(yáng)性選擇，隨后在胸腺髓質(zhì)中進(jìn)行陰性選擇。胸腺由兩種上皮細(xì)胞組成：皮質(zhì)胸腺上皮細(xì)胞(cTECs)和髓質(zhì)胸腺上皮細(xì)胞(mTECs)。3D重建胸腺類器官被證明是模擬其功能的關(guān)鍵。幾種胸腺類器官的產(chǎn)生方法：胸腺類器官培養(yǎng)通常是來(lái)自人細(xì)胞系或胎鼠或新生小鼠胸腺組織，但也有報(bào)道稱TEC樣細(xì)胞與人胚胎干細(xì)胞的體外分化，這些培養(yǎng)都產(chǎn)生胸腺樣結(jié)構(gòu)。在體外產(chǎn)生活的 T 淋巴細(xì)胞，并在移植到裸鼠上時(shí)發(fā)揮作用。有趣的是，雖然類似胸腺結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)是可能的(離體培養(yǎng)長(zhǎng)達(dá)56天)，但在連續(xù)傳代時(shí)，細(xì)胞失去了集落形成能力。重要的是，雖然在成年小鼠中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種雙能的TEC前體，但含cTECs和mTECs的胸腺器官尚未從單個(gè)干細(xì)胞中生成。此外，考慮到小鼠體內(nèi)某些雙能TEC前體的生長(zhǎng)因子已被發(fā)現(xiàn)(例如BMP 4和IL-22)，可以嘗試這些因子是否可用于維持TEC的祖細(xì)胞來(lái)源的類器官。4
類器官模型：用于病原體感染研究 幽門螺桿菌（一種革蘭氏陰性細(xì)菌，胃潰瘍的致病菌），微量注射到人源iPSC來(lái)源的胃類器官，在那里它與上皮緊密相連，并隨后轉(zhuǎn)移毒力因子細(xì)胞毒素相關(guān)基因A（CAGA）進(jìn)入上皮細(xì)胞。幽門螺桿菌誘導(dǎo)iPSC衍生的胃器官中表達(dá)檢查點(diǎn)PDL1，可能導(dǎo)致免疫逃逸。實(shí)際上，在沒有PD1阻斷抗體的情況下，自體細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞（CTLs）對(duì)類器官?zèng)]有任何作用。因而類器官不但可以模擬感染的病理過(guò)程，也可以作為模型進(jìn)行藥物作用機(jī)理研究。
類器官模型也被用于艱難梭菌感染腸道上皮細(xì)胞，呼吸道合胞病毒感染肺上皮細(xì)胞等的研究。5
類器官模型：用于組織修復(fù)和再生 免疫系統(tǒng)也會(huì)參與上皮損傷后的組織修復(fù)。例如，ILC3細(xì)胞（固有淋巴細(xì)胞(Innate lymphoid cells，ILCs)）衍生的IL-22保護(hù)腸道免受輻射、化療或移植物抗宿主病的損害。如上所述，IL-22獨(dú)立于其他因素和Paneth細(xì)胞的存在，誘導(dǎo)LGR5 ISCs的存活和增殖。促炎細(xì)胞因子TNF，通過(guò)NF-κB依賴的方式促進(jìn)原代小鼠肝細(xì)胞類器官的長(zhǎng)期培養(yǎng)，而非IL-6。然而重要的是，小鼠和人的類器官都可以在沒有TNF的情況下生長(zhǎng)，這表明雖然低度炎癥是上皮再生所必需的，但在穩(wěn)態(tài)條件下不需要。類器官為組織損傷修復(fù)及再生提供了類似于機(jī)體環(huán)境的模型。6
類器官模型：用于腫瘤微環(huán)境研究 兩種主要的方式被使用（以非小細(xì)胞肺癌為例）在整體方法（左）中，腫瘤活檢組織是在氣液界面間環(huán)境培養(yǎng)，所有腫瘤細(xì)胞類型的細(xì)胞懸液，包括內(nèi)源性免疫細(xì)胞和其他非上皮細(xì)胞類型，促進(jìn)腫瘤特異性T細(xì)胞的生長(zhǎng)。在還原模擬方法（右）中，上皮類器官是從腫瘤活檢組織中生長(zhǎng)出來(lái)的，然后與來(lái)自同一患者外周血的自體免疫細(xì)胞共培養(yǎng)，以促進(jìn)腫瘤反應(yīng)細(xì)胞的連續(xù)擴(kuò)張。雖然整體方法，允許包括整個(gè)腫瘤微環(huán)境的腫瘤材料的培養(yǎng)，因此與體內(nèi)情況非常相似，但不易長(zhǎng)時(shí)間維持，而還原模擬方法允許腫瘤上皮的長(zhǎng)期培養(yǎng)和擴(kuò)展，這使得廣泛長(zhǎng)期的研究成為可能。7
類器官：用于藥物篩選 1）促進(jìn)心肌纖維細(xì)胞生長(zhǎng)化合物篩選（文獻(xiàn)3 Cell Stem Cell）動(dòng)物模型，主要是老鼠，被廣泛用于研究心臟病，提供有價(jià)值的結(jié)果。然而，由于許多功能和生物學(xué)特性的物種差異很大，它們對(duì)人類心臟疾病和藥物安全性的推斷很差。人類多能干細(xì)胞（hPSC）可以為生物醫(yī)學(xué)和藥物研究提供無(wú)限的人類心肌細(xì)胞來(lái)源，有可能彌合這一鴻溝。然而，傳統(tǒng)2D培養(yǎng)中的hPSC源性心肌細(xì)胞缺乏功能成熟，，這在某些情況下阻礙了它們準(zhǔn)確預(yù)測(cè)人類生物學(xué)和病理生理學(xué)的能力。多細(xì)胞3D人體類器官提供了更精確的模型，是解決這一問(wèn)題的潛在方法。澳大利亞昆士蘭大學(xué)生物醫(yī)學(xué)系的科學(xué)家在Cell Stem Cell發(fā)表文章，闡述他們基于96孔板，培養(yǎng)心臟心肌類器官，進(jìn)而進(jìn)行化合物篩選的新流程。
基于類器官，將5000種化合物，篩選出不同功能化合物。 
2）特定神經(jīng)類器官培養(yǎng)及藥物篩選等應(yīng)用（文獻(xiàn)2）首先神經(jīng)球在不同分化培養(yǎng)基種培養(yǎng)（具體的誘導(dǎo)因子及生長(zhǎng)因子見下圖），產(chǎn)生大腦，中腦，海馬，前腦等不同腦部類器官。
物種進(jìn)化 先天性腦畸形 神經(jīng)退行性疾病 基因編輯 藥物篩選 疾病病理學(xué)研究
[1]Yotam E. Bar-Ephraim, Kai Kretzschmarand Hans Clevers，Organoids in immunological research，Nature Reviews Immunology，2019[2]Tanya Chhibber et al,CNS organoids: an innovative tool for neurological disease modeling and drug neurotoxicity screening,Drug Discovery Today, November 2019[3]Richard J. Mills et al, Drug Screening in Human PSC-Cardiac Organoids Identifies Pro-proliferative Compounds Acting via the Mevalonate Pathway,Cell Stem Cell 24, 895–907, June 6, 2019
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