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【类器官专题】解读近年来类器官领域重要研究进展!
发布时间:2018-09-06 14:07:18 | 浏览次数:

【类器官专题】解读近年来类器官领域重要研究进展!

经过多年的研究,如今科学家们可以从病人体内取出一些细胞,放在培养皿中,培养出所谓的“类器官”,而类器官就是一种三维的微器官,与来源组织和器官高度相似,这一切都可以在实验室中完成。类器官可以说是神奇的“多面手”,它能够让我们更好地理解生物发育,同时帮助我们治愈疾病。有了类器官,研究人员可以深入观察人体的变化、检验药物的功能以及发展实验室层面的再生治疗法。本文中,小编整理了近年来科学家们在类器官领域的重要研究进展,分享给大家!

【1】Cell:构建出膀胱癌患者特异性的类器官,有助指导治疗
doi:10.1016/j.cell.2018.03.017
      膀胱癌是美国第五大常见的癌症,但它是人们严重不了解的疾病之一,这因为很少有动物模型能够反映这种疾病的生物学特征。
在精准医学时代,对单个患者肿瘤的分子分析(molecular profiling)被用于鉴定这个患者体内的癌症驱动基因突变。这种知识可能有助医生选择最好的药物来抵抗癌症,但是这种分析并不总是能够预测患者对特定疗法作出的反应。
      类器官(organoid)的优势在于它们本质上是患者肿瘤的化身。它们能够长到直径大约1mm,在外形上类似于患者肿瘤,而且具有很多相同的分子和遗传特征。重要的是,随着时间的推移,它们会产生遗传变化,这一现象被称作克隆进化(clonal evolution)。克隆进化是肿瘤进展和耐药性的一个主要的促进因素。但是构建任何一种类型的类器官面临的挑战是确定让患者肿瘤细胞在培养皿中形成微小的肿瘤类器官所需的营养物、生长因子和组织培养技术。对不同的癌症类型而言,这些确切的条件存在着很大的差异。


【2】Biomaterials:科学家成功开发出重建肝癌的类器官 有望进行快速准确的癌症药物筛选
doi:10.1016/j.biomaterials.2017.12.026
      肝癌是世界引发癌症患者死亡的主要原因之一,目前缺少经过批准的疗法;开发有效治疗肝癌药物的主要挑战就是当前的肿瘤模型并不能准确反映出人类机体肿瘤及肿瘤周围环境的特性,这常常就会使得很多潜在的药物在临床检测中失效;为了更加准确地模仿这些特性,研究人员开发出了名为人源性肿瘤异种移植物(PDX)的肝癌模型,尽管这些模型能够提供人类机体中有效潜在癌症药物如何发挥作用的具体信息,但这些药物比较昂贵,而且开发过程比较耗时,在培养基中培养这些PDX癌症细胞用于药物筛选的花费也较高,目前研究人员对这些细胞的尝试往往并不能够反映3-D肿瘤的结构以及肿瘤微环境的情况。
      近日,一项刊登在国际杂志Biomaterials上的研究报告中,来自新加坡A*STAR研究所的科学家们就通过研究设计出了一种新方法来生长PDX肝癌细胞用于药物筛选和检测;这种方法主要包括在由植物性多孔水凝胶制造的合成型3-D支架上生长细胞,随后研究人员利用优化的生化和机械特性对海绵支架进行工程化设计,来帮助肝癌细胞维持合适的形状和功能,并使其生长地像类器官一样。

【3】小小类器官 承载移植梦
       经过近 10 年的快速发展,科学家们已经能在实验室利用细胞培育、分化、自组装成各种类似人体组织的 3D 结构,制造出肝脏、胰脏、胃、心脏、肾脏甚至乳腺等在内的各种类器官。英国著名学术期刊《发育》杂志 3 月刊以专版形式,对类器官研究领域进行了全面回顾。
《科学》杂志网站报道称,这些实验室类器官并不是各种细胞毫无规则地聚集,而是已经拥有类似真实器官的复杂结构,比如在显微镜下能观察到肾脏上的微细血管、大脑皮层或肠道内的褶皱。
       但这些类器官真的就是真实器官的“缩小版”吗?它们能用来在体外模拟疾病、测试新药并最终作为替代器官进行人体移植吗?
这些由大量细胞簇聚而成的类器官,虽然在很多方面能模拟真实器官内部结构,但某些与真实器官功能和发育紧密相关的结构特性至今还无法拥有,如缺乏血管系统,这是人体器官生长发育中获取能量的重要结构。因此,目前为止,类器官还不能称为真实器官的“缩小版”,仍然是微型和简单的器官模型。


【4】Cell Stem Cell:操纵PTEN基因培养出具有表面褶皱的大脑类器官
doi:10.1016/j.stem.2016.11.017
      人类大脑如此独特的一个方面在于大脑皮层的尺寸和结构。但是,是什么促进人类大脑皮层---可能是我们具有独特的智力能力的基础---生长?
      在一项新的研究中,来自美国怀特海德研究所的研究人员对一种似乎调节着人类大脑皮层生长、结构和组装的特定基因通路获得新的认识。他们也证实三维人类大脑类器官---微型的实验室培养的特定大脑结构版本---能够有效地为人大脑发育的分子过程、细胞过程和结构过程构建模型。他们给出一种鉴定受到寨卡病毒影响的细胞的新途径。相关研究结果于2016年12月29日在线发表在Cell Stem Cell期刊上,论文标题为“Induction of Expansion and Folding in Human Cerebral Organoids”。
      论文共同第一作者、怀特海德研究所博士后研究员Yun Li说,“我们发现增加的神经祖细胞(neural progenitor cell, NPC)增殖促进人大脑类器官中的皮层组织扩大和皮层褶皱。再者,我们确定剔除PTEN基因允许NPC细胞中生长因子信号增加,从而释放它的生长潜力和促进增殖。”

 

【5】Nature:利用一种新的水凝胶在体外培养类器官
doi:10.1038/nature20168
      在一项新的研究中,来自瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究人员开发出一种培养微型化身体器官的水凝胶,所培养出的微型化身体器官能够用于临床诊断和药物开发之中。
      类器官(organoid)是能够在实验室中利用人的干细胞培养出的微型器官。它们能够被用来构建疾病模型,而且在未来可能被用来测试药物或者甚至替换病人体内受损的组织。但是当前的类器官在一种标准化的可控方法中非常难以培养,其中这种方法是设计和使用它们的关键。如今,EPFL研究人员通过开发出一种正在申请专利的“水凝胶”而解决了这个问题,其中这种水凝胶提供一种完全可控的和可调整的方法来培养类器官。这一突破性发现于2016年11月16日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Designer matrices for intestinal stem cell and organoid culture”。
      培养类器官是利用干细胞---它们能够分化为人体中任何一种细胞类型的未成熟细胞,而且在组织功能和再生中发挥着关键作用---开展的。为了培养一种类器官,这些干细胞在三维水凝胶---含有促进干细胞更新和分化的生物分子混合物---内部进行培养。


【6】科学家实验室培育出数百个微型人类大脑:迷你“类器官”
       据国外媒体报道,我们为什么是右撇子或左撇子?我们为什么会出现自闭症?人类大脑至今仍有很多未解之谜。有些问题可以通过研究其它动物的大脑来解决,比如老鼠等。但有些独特的问题只有人类大脑才会遇到,这种方法便束手无策了。
       最近研究人员在实验室中培植出了数百个微型人类大脑,试图利用它们来研究自闭症和精神分裂症等精神障碍。而他们培植这些大脑的方法可以说简单得令人惊讶。这些迷你大脑是利用细胞培育出来的,该研究团队使用的是皮肤细胞,但其实各种类型的细胞都可以。
       玛德琳•兰卡斯特(Madeline Lancaster)是剑桥医学研究理事会分子医学实验室的一名工作人员,她便是参与这项研究的科学家之一。“这些大脑的生长方式和在胚胎中一模一样。”兰卡斯特医生说道。
      科学家先利用蛋白质,将这些细胞转化为干细胞,随着它们不断生长,脑细胞就会渐渐分化出来。接着,研究人员会中断提供给细胞的养分,而出于某种未知的原因,脑细胞似乎是这些细胞中最有活力的,因此存活了下来。研究人员再把这些脑细胞放到一种特制的凝胶中,然后放入孵化器中进行培养。

 

 

【7】Nature:实验室中的类器官——“肾”
doi:10.1038/nature15695
       刊登在国际杂志Nature上的一篇研究报告中,来自澳大利亚和荷兰的科学家们通过研究表示,他们在实验室中成功利用干细胞培养出了具有初步生长状态的人类肾脏组织,而这一过程通向在实验室中开发全功能性的移植器官又进了一步。
       研究者表示,这种组织并不是一种有活力的组织,但可以用于其它用途,比如在药物毒性试验中用来替代动物模型。研究者在文章中利用诱导多能干细胞(ips)制造出了肾脏样的结构。目前由于严重缺少捐献的器官来移植事故或疾病受损的患者器官,因此长期以来利用干细胞来制造人类器官一直是科学界的一大研究障碍。
       科学家们需要诱导干细胞使其分化组装成为肾脏、肝脏和肺部细胞,随后这些细胞就会形成具有复杂解剖学结构的真实器官进而在受体患者中发挥作用。而在这项最新研究中,研究人员就设法将诱导多能干细胞转化成了两种不同类型的成体细胞。研究者Davies说道,这种培养产物并不是肾脏,而只是一种类器官,当然作为临床使用的有用的移植器官还需要很漫长的一段路。


【8】Cell:首个癌症类器官生物银行
       研究人员利用由癌症患者肿瘤衍生出的三维(3D)类器官,接近复制出了原发肿瘤的一些关键特性。这些“类器官”培养物适用于大规模的药物筛查来检测与药物敏感性相关的一些遗传改变,为采用个体化治疗改善癌症患者的临床结局铺平了道路。他们将这项研究发表在5月7日的《细胞》(Cell)杂志上。
       直到现在,人们还主要是利用培养皿中的二维细胞系或是在小鼠模型中开展抗癌药物筛查。比细胞系更加近似人类肿瘤,且比小鼠模型更节省时间和资源,类器官为研究人员提供了现有方法之间的一个折中策略。
       论文的第一作者,维康基金会桑格研究所的Hayley Francies博士说:“每个肿瘤都是不同的,即便它们出现在同一器官中。它们各自由携带不同突变的细胞混合物构成,这些突变决定了治疗是否能有效地发挥作用。令我们感到高兴的是,类器官可以复制出患者肿瘤的一些特征。这为我们提供了更真实的环境来测试新的和现有的药物,以及探讨联合疗法。”

 

 

【9】Cell:华人学者首次培育出前列腺癌类器官
doi:10.1016/j.cell.2014.08.016
       由纪念斯隆凯特林癌症中心领导的一项研究,第一次证实了可以在实验室培育出源自人类前列腺肿瘤的类器官(Organoids),为研究人员提供了一个令人兴奋的新工具来测试癌症药物和个体化的癌症疗法。研究结果发表在《细胞》(Cell)杂志上。
       研究人员称利用来自于转移性前列腺癌患者的活组织样本,他们成功地培育出了6个前列腺癌类器官,而第7个类器官来自于一名患者的循环肿瘤细胞。类器官是一种由聚集在一起的细胞构成的三维结构,其空间组织结构与器官相似。这些前列腺癌类器官的组织结构与它们起源的转移灶样本高度相似。测序转移灶样本和匹配的类器官显示,每个类器官与它们起源的患者癌症基因完全一致。
       纪念斯隆凯特琳癌症中心的陈宇(Yu Chen,音译)博士说:“鉴别出一些分子标记物来指明一种药物是否会起作用,或是一种药物停止作用的原因,对于癌症精确治疗至为重要。但我们只有有限的能力对一些药物展开测试,尤其是在前列腺癌状况下,研究人员只能获得少数的前列腺癌细胞系。”


【10】类器官个性化蛋白组揭示结直肠癌的特征
doi:10.1016/j.celrep.2016.12.016
       荷兰乌得勒支大学Shabaz Mohammed和Albert J.R. Heck研究团队,在国际知名期刊Cell Reports上发表的文章,通过对人类健康和结直肠癌肿瘤的类器官进行定量蛋白组学和转录组学研究,发现每个病人在蛋白组水平上均具有独特的类器官特征,表明个性化的病人类器官蛋白组表达谱可有助于病人的诊断和精准治疗。景杰生物作为全球蛋白质及蛋白质修饰的领跑者,可以为您提供从组学筛选到抗体定制的全套方案,为您的科研助一臂之力。
       疾病在分子水平上非常复杂,而且与个体的身体状况紧密相关,这就使得通过精准治疗来优化临床治疗效果变得更加重要。近期发展起来的类器官技术可在三维的体外培养系统中模拟个体组织体内的特征。为了研究健康的和肿瘤的结直肠组织蛋白水平的变化情况,Shabaz Mohammed和Albert J.R. Heck研究团队选取7个病人的结肠肿瘤和其附近的健康结肠用于类器官的制备,并利用质谱对类器官的蛋白组进行了分析。在每对(肿瘤-健康)类器官中,鉴定了约7600个蛋白,其中6340个蛋白能够被定量。


文章转自微信公众号:生物谷

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