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            類器官概述

            Hans Clever 在2009年利用Lgr5+腸道干細胞成功培養出首個小腸類器官,開啟了類器官研究的時代。此后,類器官在短短十多年的時間里,在科學研究領域逐漸繁榮起來,成為體外模型系統研究的熱點。本文我們將介紹類器官的發展歷史、構建與制備、類別和應用。

            1、什么是類器官?

            顧名思義,類器官和真正的器官非常相似,從專業角度闡釋,類器官是體外的3維立體微型細胞簇,高度模擬體內相應器官的結構和功能[1]。通俗來講就是類器官是一個體外構成的具有自我更新,自我組織能力的微型器官,與真實的器官具有相似的空間組織并且能夠執行原始器官功能。

            類器官的三個特征:

            • ● 細胞能夠通過空間組織和細胞特異化自行組織,重現原始器官功能;
            • ● 含有一種以上與原始器官相同的細胞[2];
            • ● 能夠再現原始器官的某些功能,例如:過濾,排泄,神經鏈接以及收縮功能等。

            2、類器官的發展歷程

            1907年,Henry Van 發現物理分離的海綿細胞可以重現聚集,自行組成一個新的功能完善的海綿[3]。在接下來的幾十年里,脊椎動物中也發現了相似的細胞分離再聚合現象,例如1944年Holtfreter的兩棲動物腎組織實驗[4]和1960年Weiss的禽類胚胎實驗[5]。1961年 Piercehe和 Verney觀察到胚狀體的體外分化[6],隨后在1964年 Steinberg提出了細胞分化的差異粘附假說(DAH),1981年多功能干細胞(PSCs)被首次從小鼠的胚胎中分離出來,干細胞研究自此蓬勃發展[7,8]。

            1987年李茂林等人通過模擬生物體內微生物環境優化了細胞培養條件。研究表明,EHS (小鼠肉瘤:Engelbreth-Holm-Swarm) ECM(細胞外基質:extracellular matrix)提取物中,乳腺上皮細胞可組織成3D導管和小導管[9],此外,Shannon JM在ECM細胞中發現肺泡Ⅱ型上皮細胞分化[10]。但是直到 1998 年,美國生物學家 James Thomson 才首次從人胚泡中分離培養出人胚胎干細胞[11]。

            2006年,通過對小鼠和人成纖維細胞進行重組編程,成功制備了人誘導多能干細胞(iPSCs),這對干細胞和類器官研究有重大意義[12]。2008年,Sasai等人通過展示人類大腦誘導多能干細胞自組織到形成極化皮質組織的神經細胞,奠定了類腦器官的基礎[13]。2009年,Hans Clevers和他的同事首次證明了單個Lgr5+腸道干細胞(ASCs)可以自行組織分化形成包含所有腸細胞類型的腸隱窩-絨毛結構.這開啟了類器官技術發展的新時代[14]。在此基礎上類器官模型成為替代傳統細胞系和異質動物模型的新型研究模型。2010年,研究發現小鼠胚胎腎干細胞分離再組合可形成腎類器官[15]。腸類器官可從體外誘導多能干細胞生成。

            Nakano等在2012年證明了在三維構建中PSCs自行組織成為了視杯結構。2013年,人類大腦類器官由小頭患者的iPSCs細胞分化形成[16]。Lee等人發現內皮細胞和成年細支氣管肺泡干細胞在三維共培養模式下可產生肺類器官[17]。乳腺、輸卵管和海馬類器官是在2015年研究得出的,蛇毒腺類器官產生于2020年[18]。

            類器官發展時間線

            圖1. 類器官發展時間線

            圖片來源:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7468890/

            3、類器官的構建與制備

            類器官的形成:類器官可以由兩種類型細胞產生,一是多能干細胞(PSCs),例如胚胎干細胞(ESCs)、誘導干細胞(iPSCs),或器官限制性成體干細胞(ASCs)。這些細胞被培養在一個特定的環境中,允許它們遵循根深蒂固的基因指令,自x行組織成功能性的3D結構。

            從各種組織中培養類器官的方法是相似的。干細胞最常在基質中培養,并在合適的外源因子(包括化學小分子抑制劑/激活劑、細胞因子和培養基添加劑)的存在下誘導形成相應器官的類器官。不同類器官的制備需要不同的添加劑組合。即使是結構非常相似的組織,如小腸和結腸,制備類器官所需的添加劑組合也是不同的。此外,直接從患者的腫瘤中生成類器官也是一種實用的方法。

            人類不同類器官的建立過程

            圖2. 人類不同類器官的建立過程

            圖片來源:https://journals.plos.org/plospathogens/article?id=10.1371/journal.ppat.1010080

            類器官構建的三要素:

            • ● 細胞分化物理特征
            • ● 關鍵信號路徑的激活/抑制
            • ● 原始細胞的類型及條件

            4、類器官的類別及應用

            自2009年成功建立上皮類器官以來,類器官培養已應用于各種器官,包括:大腦(brain)、視杯(Optic Cup)、內耳(Inner Ear)、肺(lung)、肝(liver)、結腸(Colon)、腎(Kidney)、胰腺(Pancreatic)、前列腺(Prostate)、胃(Gastroids)、乳腺(galactophore)等。

            類器官及應用

            圖3. 類器官及應用

            圖片來源:https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.05.043

            Jay Gopalakrishnan 的團隊成功地在大腦類器官中誘導出雙邊對稱的視杯,并發現這種結構可以感知光,同時向其他區域的大腦發送信號。當這些類器官生長50-60天后,原來的“眼睛”發育成一兩個成熟的可見視泡結構,稱為視泡腦類器官(OVB-organoids)。這項研究首先在功能上將視網膜結構整合到大腦類器官中,在體外系統中再現神經纖維從視網膜神經節向外延伸以連接大腦的目標區域。該系統可以幫助研究胚胎發育過程中的“腦-眼”相互作用,為視網膜疾病的探索和治療提供有力的工具,為無數視網膜疾病患者的治愈帶來希望。

            現在,科學家已經開發了更精確的合成環境,通過用信號蛋白修飾基質的生物惰性區域,可以更好地控制干細胞的活性。類器官工程技術對于一些體內環境成分復雜、需要精確建模的發育研究特別有用。通過多能干細胞構建的類器官還可以取代受損或者患病的組織,類器官本身自我更新自我組織的這一功能在再生醫學領域也有重要作用。

            研究人員可以通過類器官來模擬人類發育和疾病,因為類器官是從人類干細胞或成年細胞產生的誘導性多能干細胞生長而來的,它們的成分和結構也與原發組織相似,并且易于操作和冷凍保存。利用活檢技術就可以培養與病人具有遺傳相似性的類器官模型,同時意味著可以利用源自患者干細胞的類器官系統來進行個性化藥物功效測試,為患者提供更加精準的治療方法。

            雖然類器官技術在研究界的廣泛應用還處于起步階段,但作為研究發育生物學、疾病病理學、細胞生物學、再生機制、精準醫療、藥物毒性和藥效實驗等廣泛學科的工具,類器官技術具有巨大的應用潛力。

            參考文獻:

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            [2] Stevens KR, Kreutziger KL, Dupras SK et al. (2009) Physiological function and transplantation of scaffold-free and vascularized human cardiac muscle tissue [J]. Proc Natl Acad Sci 106:16568–16573.

            [3] Wilson HV. A new method by which sponges may be artificially reared [J]. Science 25: 912–915, 1907.

            [4] Holtfreter, Johannes. Experimental studies on the development of the pronephros [J]. Rev. can. biol. 3 (1943): 220-250.

            [5] Weiss, Paul, and A. C. Taylor. Reconstitution of complete organs from single-cell suspensions of chick embryos in advanced stages of differentiation [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 46.9 (1960): 1177.

            [6] Pierce, G. B., Jr. & Verney, E. L. (1961). An in vitro and in vivo study of differentiation in teratocarcinomas [J]. Cancer 14, 1017-1029.

            [7] Martin GR. Isolation of a pluripotent cell line from early mouse embryos cultured in medium conditioned by teratocarcinoma stem cells [J]. Proc Natl Acad Sci USA 78: 7634–7638, 1981.

            [8] Evans M. J., Kaufman M. H. 1981. Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos [J]. Nature 292, 154–156.

            [9] Li ML, Aggeler J, Farson DA, et al. Influence of a reconstituted basement membrane and its components on casein gene expression and secretion in mouse mammary epithelial cells [J]. Proc Natl Acad Sci USA 84: 136–140, 1987.

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