類器官——從 2D 到 3D 的進階 | MedChemExpress

medchemexpress 2023-03-03 發(fā)布于上海

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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？

類器官不是器官

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(xì)胞)、胚胎干細(xì)胞 (ESCs) 和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 (iPSCs)、已建立的細(xì)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(xì)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。

“爆紅”絕非偶然

其實，3D 類器官培養(yǎng)是在上個世紀(jì)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(xì)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(jì)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(xì)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(xì)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(xì)胞，這些子代的細(xì)胞譜系與活組織的主要細(xì)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(xì)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)。

圖 3. 建立大腸癌患者源性類器官體外腫瘤模型^[13]

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(xì)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(xì)胞培養(yǎng)及動物實驗研究的比較^[5]

培養(yǎng)基中的“魔法”

類器官可以由兩種類型的細(xì)胞生成：1) 多能干細(xì)胞 (PSC)，例如胚胎干細(xì)胞 (ESC) 和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 (iPSC)；2) 器官限制性成體干細(xì)胞 (ASC)。在適當(dāng)?shù)臈l件下，用細(xì)胞外基質(zhì)培養(yǎng)，如 Matrigel，輔以各種生長因子，促進干細(xì)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(xì)胞的功能性亞組織單元，再進一步消化成單個細(xì)胞并進行流式細(xì)胞分選以富集干細(xì)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(xì)胞外基質(zhì)開始類器官培養(yǎng)（如圖 5）。

圖 5. 從 ASCs 生成類器官的方法示意圖^[14]

將小腸組織切成幾塊(隱窩分離出來可做備選)。將小塊組織與諸如膠原酶等在37℃下孵育，形成細(xì)胞懸浮液。將單細(xì)胞接種在 Matrigel 中，并在含有特定組織生長因子的培養(yǎng)基中生長。

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(xì)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(xì)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(xì)胞類型子代，這些細(xì)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蜃?/span>和/或撤除促進干細(xì)胞特性的因子，以誘導(dǎo)分化得到所需的譜系或細(xì)胞類型。

類器官的培養(yǎng)離不開誘導(dǎo)細(xì)胞分化的細(xì)胞因子，MCE 提供各種類器官培養(yǎng)用細(xì)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！

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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