類器官技術“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 (組織亞基或單細胞)、胚胎干細胞 (ESCs) 和誘導多能干細胞 (iPSCs)、已建立的細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，開啟了類器官技術的發(fā)展“新紀元”。

目前，已有方法可以構建肝臟、結腸、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)學和細胞治療提供了一個強大的工具?。

圖 1. 類器官技術的多樣化應用[2]

■?與傳統(tǒng)細胞培養(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，類器官在組成和結構上與原代組織 (Primary tissue) 相似：包含了少量基因組穩(wěn)定、自我更新的干細胞，這些子代的細胞譜系與活組織的主要細胞譜系相似；

2) 類器官可以快速擴增、冷凍保存，且能應用于高通量分析；

3) 原發(fā)組織來源的類器官缺乏間充質/間質，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性，而且比體內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)缺乏組織結構和復雜性，這可能是藥物篩選結果多次不能重現(xiàn)體內環(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、異質性和穩(wěn)定性，與傳統(tǒng)的患者來源的癌細胞系 (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，對新型病毒生物學的理解很大程度上依賴于允許病毒復制的體外模型，近期，類器官被用于 COVID-19 的研究，彌合了細胞系和體內動物模型之間的差距。

這么多優(yōu)點，應用這么廣泛，類器官技術這把火恐怕還不夠旺?！

圖 4. 類器官培養(yǎng)與 2D 細胞培養(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胞生成：1) 多能干細胞 (PSC)，例如胚胎干細胞 (ESC) 和誘導多能干細胞 (iPSC)；2) 器官限制性成體干細胞 (ASC)。在適當?shù)臈l件下，用細胞外基質培養(yǎng)，如 Matrigel，輔以各種生長因子，促進干細胞增殖與分化，并自組織成功能性 3D 結構。

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胞的功能性亞組織單元，再進一步消化成單個細胞并進行流式細胞分選以富集干細胞。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，隨后被嵌入細胞外基質開始類器官培養(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，形成細胞懸浮液。將單細胞接種在 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：類器官通常在細胞外基質 (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)生分化的多種細胞類型子代，這些細胞類型自組織成功能性 3D 結構。另外，3D 類器官可以解離，并鍍到涂有基底膜基質 (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?shù)姆只蜃雍?或撤除促進干細胞特性的因子，以誘導分化得到所需的譜系或細胞類型。

類器官的培養(yǎng)離不開誘導細胞分化的細胞因子，MCE 提供各種類器官培養(yǎng)用細胞因子，高活性、高純度、低內毒素！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！

細胞因子

Human EGF

上皮組織生長因子；EGF 與 EGF 受體結合，誘導增生性變化。

胃腸道、肝臟、甲狀腺、腦等類器官培養(yǎng)所需因子。

Human FGF-2/4/9/10

FGFs 在早期發(fā)育中對中胚層誘導、肢體發(fā)育、神經(jīng)誘導和神經(jīng)發(fā)育有重要作用。在成熟組織中，F(xiàn)GFs 對血管生成、角質形成細胞組織和傷口愈合過程至關重要。

例如 FGF-basic (FGF-2)、FGF-10?是常見的類器官培養(yǎng) Niche 因子，如肝臟類器官、前列腺類器官。

Human HGF

HGF/Met 信號通路促進腫瘤的生長、侵襲和遷移。

HGF 可充當肝細胞的有絲分裂原，用于肝類器官培養(yǎng)。

Human Wnt3a

Wnt 參與調節(jié)細胞發(fā)育、增殖、分化、粘附、極性、細胞-細胞通信、生存和自我更新功能。

Wnt3a 在類器官的擴展能力中起著重要的作用，是最常用培養(yǎng)因子之一。

Human BMP-4

BMP 在胚胎發(fā)生、發(fā)育和維持組織穩(wěn)態(tài)中起著至關重要的作用。?

體外實驗中，BMP-2 和 BMP-4 被廣泛應用于誘導多能干細胞 (iPSC) 和胚胎干細胞 (ESC) 產(chǎn)生肝細胞。?

Human Noggin

骨形態(tài)發(fā)生蛋白的內源性抑制劑，調節(jié)細胞分化、增殖和凋亡。

Noggin 是最基礎的類器官培養(yǎng)因子之一。

Human DKK-1

DKK-1 是典型的 Wnt 抑制劑，可誘導視網(wǎng)膜前體自組織。

小分子抑制劑

Y-27632 dihydrochloride?

Rho 激酶抑制劑；常用于類器官構建。??

A 83-01

ALK4/5/7 抑制劑；抑制類器官的增殖。

MCE 的所有產(chǎn)品僅用作科學研究或藥證申報，我們不為任何個人用途提供產(chǎn)品和服務。

參考文獻

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