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类器官——研究疾病的利器,再生医学的未来
发布时间:2018-08-20 17:13:11 | 浏览次数:

类器官——研究疾病的利器,再生医学的未来

内容转自:中科院再生医学

编者按 

NatureMethods杂志每年都会评选出当年最受瞩目及有影响力的技术,2017年,类器官(Organoids)当选。

 导语

干细胞研究已经成为了生物学研究的一个重要分支,而研究干细胞的目的之一是帮助我们更好的理解生命发生的各个维度。细胞和细胞之间通过间质连接在一起形成细胞团,由于细胞内基因的差异化表达,进而形成了各类器官和组织。现在,科学家们可以利用一些新的培养方法,将一些体内得到的胚胎干细胞和成体干细胞诱导产生一些类似于体内组织或者器官的三维结构,并命名为类器官(Organoid)”。这项技术也被Nature Methods选为2017年年度方法。本文将从“organoid”的历史,进展和未来进行详细介绍。

Jason Spence的实验室正在培养iPS细胞衍生的肠类器官(图片由David R. Hill提供)

 

类器官研究历史


 

Lgr5 +干细胞生长的肠类器官(图片由Daniel St Johnston提供)

 

         组织和细胞培养可以追溯到上个世纪,Henry Van Peters Wilson证明了机械分离的海绵细胞可以重新聚集并自组织的产生整个有机体。在随后的一段时间里,很多实验室都进行了两栖类动物和胚胎雏鸡的器官重组织实验,这样由机械力分离后又重新组织的现象,使得MalcolmSteinberg提出了差异粘附假说differential adhesion hypothesis)。

         接下来,随着细胞生物学研究的不断深入,人们发现了一类可以分化形成各类细胞的细胞——干细胞。而随着新的细胞的发现,细胞培养技术也在不断进步,当研究人员们将细胞从二维介质转化为三维介质的时候,研究人员惊奇的发现,这些干细胞能够自组织的生成类似于器官的结构,这类组织被人们命名为类器官。

接下来的一段时间里,不断有各类组织的类器官被诱导形成。

         从1987年开始,科学家们设计了不同的3D培养方法来诱导类器官发生。在2008年,RIKEN研究所的Sasai及其团队证明,干细胞可以被诱导并且自组织形成为神经细胞球。

         2009年,Hubrecht研究所和荷兰Utrecht大学医学中心的Hans Clevers实验室发现,单个Lgr5 +干细胞可以在体外构建形成肠道隐窝结构。

         2013年,奥地利科学院的Madeline Lancaster通过神经干细胞诱导产生球形的细胞团,当转移到基质上,发现其可以形成简单的皮质结构,用这样的方式来模拟人脑组织。

         随着技术的不断进步,从1987年至今,类器官的形态逐渐由细胞团向着真正意义上的组织迈步。

 

什么是类器官?

 

 

来自iPS细胞的脑器官样组织,神经干细胞标记为红色,神经元标记为绿色(图片由IMBAMadeline Lancaster提供)

 

         干细胞基本的特性之一就是可以形成特定的细胞类型,那么也就意味着每个干细胞都有着发展成为器官或组织的可能性,3D培养的出现,也将这些细胞的潜力被更好的开发出来。

         器官碎片和细胞培养已经是一个很古老的技术和科学,但是一直到近些年来,人们才将哺乳动物发育和细胞外基质的知识结合起来,将细胞培养特别是干细胞培养带入了一个新的时代。


3D培养可以使得干细胞自发组织形成类器官,但是什么是真正意义上的类器官呢?

 

         所谓类器官,就是一个小型的简单化的器官组织,可以有效的在体外展示出器官的微解剖结构。类器官起源于一个或者几个衍生细胞及组织,主要来源于胚胎干细胞,诱导多潜能干细胞和成体干细胞,由于这类组织和细胞具有自我更新和分化的能力,因此在体外的三维培养体系中可以自组织形成类似于器官的结构。

这样的过程,在大多数科学家看来,是很接近于原始的器官发生过程。类器官其实就是科学家们培养的一种类似于器官组织结构的细胞团。

 

类器官--强大的研究工具

 

 

从单个小鼠乳房基底细胞(蓝色,F-肌动蛋白和DAPI;红色,乳蛋白)生长的乳房类器官的3D共焦重建(图片由Florijn Dekkers提供)

 

         类器官的出现,标志着干细胞培养进入了一个新的时代,而它的出现,又会给生命科学研究和医学研究带来哪些惊喜和新的机遇呢?

         在精确的条件控制下,干细胞的类器官发生过程与天然的胎儿器官发生过程十分相似。

一些研究学者在肾脏上面进行了对比,体外培养的类器官和人类三个月的肾脏基因表达谱十分相似,这也证明了类器官可能会替代生物体成为新的研究遗传性疾病的有力工具。

         遗传性疾病在胚胎发育过程中表现了极大的恶性影响,特别是那些无法在非人类物种中建立模型的疾病,而这些遗传性疾病也给家庭造成了极大的苦难。而类器官也给这样的一些疾病,提供了可靠的研究模型。如Kriegstein研究小组使用iPS细胞衍生的类器官来研究Miller-Dieker综合征,这是一种严重的神经发育障碍,患者的大脑皮层不能形成正常的褶皱。这类疾病主要是由于神经胶质细胞异常引起的,这类细胞在灵长类动物中高度富集,而在啮齿类动物中几乎不存在,如果过度生长或生长缓慢,就会导致先天的新生儿大头或者小头畸形。

 

 

脂肪肝类器官的活细胞成像(核,红色,脂肪,绿色)(图片由Rie OuchiTakanori Takebe提供)

 

      此外,类器官还可以帮助科学家进行早期药物筛选。精准治疗越来越成为时代的主流,对于一些药物的实验,不仅药物成本昂贵,而且患者体质存在差异,在进行临床试验之前,利用类器官来进行药物筛选,可以有效的了解药物在组织中的代谢过程和毒性。这类药物筛选方式已经开始展现作用,例如,辛辛那提儿童医院的Takanori Takebe与武田制药等公司合作,利用类器官测试药物的肝脏毒性和安全性,证明了其在临床上的可行性。

      在癌症研究方面,Huch的研究小组发现,他们可以以惊人的精确性生成类器官,复制了临床病人肝癌的三种常见的亚型,为像CRISPR-Cas9这样的基因组编辑工具,提供了良好的器官平台,从而为病人的精准治疗提供可能性。

      在传染病研究方面,类器官可以为药物治疗和发生提供依据和参考,在拉丁美洲爆发的Zika(寨卡病毒)疫情中,多个研究小组探索使用脑源性器官来表征病毒感染与发育中小头症之间的联系。另外,CleversSpence等人也使用胃肠器官来模拟隐孢子虫寄生虫,诺如病毒,艰难梭菌等病原体感染菌的感染过程,为治愈感染提供依据。

      除了可以更好的认识器官的发育和起源以外,类器官作为重要的研究工具也需要和其他研究方法协同发展。首先,随着细胞的成像技术的不断发展,人们将3D的类器官结构进行各种染色,给我们展开了一个靓丽多彩的世界,也可以借助成像来了解器官发生以及癌症发生过程。

 

 

来自肝癌患者的肿瘤类器官的明视野图像(图片由Laura Broutier提供)

 

       2010年以后,随着单细胞测序技术的不断发展和进步,单细胞测序的研究呈现井喷式的增长,将类器官培养与scRNA-seq(单细胞RNA-seq)有效结合,可以通过精密的方法,对器官进行表征,同时帮助我们追踪细胞发生谱系,以及通过比较体内器官和体外培养类器官的转录组,来了解类器官与体内器官的紧密联系。

类器官的出现,给很多疾病提供了新的模型,也为疾病的治愈带来了希望。

 

类器官研究的未来和挑战

      虽然大部分的类器官培养和诱导已经十分成熟,但是与真正意义上的器官组织还有一定的差异,目前的类器官只是具有了器官基本的形态和结构,并不能完全替代体内组织和器官。

在细胞组成方面,类器官虽然已经包含了众多细胞类型,但器官内的血管结构和免疫细胞仍然是缺失的,这主要是由于“成熟障碍”,使类器官发生和发展在很早的时候就停滞了下来。

      目前世界上一些研究小组正在不断进行尝试,试图解决这一问题。Spence说:“如果将肠道类器官移植到小鼠体内,它们就会被血管包围(或者血管化),然后获得更复杂的结构,并且看起来更像成熟的肠道器官。”他们研究小组仍在努力研究如何将功能性血管引入体外类器官培养中。

      Takebe的研究小组也发现,他们可以从干细胞衍生的肝细胞,结缔组织和内皮细胞的混合物中培养类器官,并且在他们的“肝芽”类器官中也建立了一些原始的血管系统,但是只有在接种活体动物后才能形成适当的循环系统。

 

 

在移植到小鼠中之后,从多色标记的胚胎细胞衍生的肾类器官的体内成像(图片由Yoshida KeitaroTakanori Takebe提供)

 

      干细胞诱导形成器官,就类似于调制一杯鸡尾酒,科学家们也在尝试利用更复杂的元素来诱导体外器官的产生,辛辛那提儿童医院的JamesWells领导的一个小组通过将肠类器官与神经元祖细胞相结合,产生了具有功能性肠神经系统的肠类器官,包含了控制诸如蠕动功能的神经网络,这也使真正在体外构建器官有了可能性。

      此外,虽然诸多的类器官已经被报道出来,但是仍然有一些类器官在体外无法建立培养,因此,类器官仍然是刚刚起步的研究方向,值得科学家们不断努力。

      类器官的研究飞速发展,这些微小的组织可以帮助我们更好地理解我们自身,弥补常规细胞培养和动物模型研究的不足。它可以帮助科学家们潜入组织发育,稳态和疾病发生等过程中,并作为更好的研究工具出现在了生物和医学研究者们面前。

       相信通过科学家们的努力,类器官会让我们充分的了解自己,并为治愈疾病提供新的可能性。

 


参考文献:

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14. Hell SW. Far-fieldoptical nanoscopy. Science 316: 11531158 (2007). 

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