仇伟伟
类器官——从 2D 到 3D 的进阶 | MedChemExpress
2022-8-17 13:32
阅读:432

类器官技术“爆红”的背后,是“赶时髦”科研还是有“真材实料”呢?


类器官不是器官

一直以来,“类器官”一词被宽泛地用于所有来源于原代组织 (组织亚基或单细胞)、胚胎干细胞 (ESCs) 和诱导多能干细胞 (iPSCs)、已建立的细胞系以及完整或分段器官 (如由多种组织类型组成的器官外植体) 的三维 (3D) 器官型培养。


我们可以这样理解,类器官是完全由原代组织、ESCs 或 iPSCs 衍生而来的体外 3D 细胞簇,它们具有自我更新和自组织能力,并表现出与起源组织相似的器官功能。


“爆红”绝非偶然

其实,3D 类器官培养是在上个世纪建立和发展起来的。早在 1907 年,Wilson 等人首次表明,分离的海绵细胞能够自组织再生成整个生物体。2009 年,Hans Clevers 和同事在肠道类器官培养系统中取得突破性进展,开启了类器官技术的发展“新纪元”。


目前,已有方法可以构建肝脏、结肠、肠道、肾脏、肺、前列腺、胰腺、胃、大脑皮层和视网膜等多种组织的类器官。体外类器官模型是一项重大的技术突破,它为研究组织发育、疾病建模、药物筛选、个性化医学和细胞治疗提供了一个强大的工具


图 1. 类器官技术的多样化应用[2]


与传统细胞培养及动物模型对比,其秀在何处?
1) 与传统的体外培养不同,类器官在组成和结构上与原代组织 (Primary tissue) 相似:包含了少量基因组稳定、自我更新的干细胞,这些子代的细胞谱系与活组织的主要细胞谱系相似;

2) 类器官可以快速扩增、冷冻保存,且能应用于高通量分析;

3) 原发组织来源的类器官缺乏间充质/间质,为研究感兴趣的组织类型提供了一种简化的途径,而不受局部微环境的干扰

4) 类器官是传统 2D 培养和体内小鼠模型之间的重要桥梁,因为它们比单层培养模型更具有生理相关性,而且比体内模型更易于操纵生态位成分、信号通路和基因组编辑。


图 2. 建立小鼠可再生的肾类器官应用于肾毒性剂量定量筛选[12]

文中所用 Noggin, R-spondin 1, SB431542, CHIR99021, FGF-4, FGF-basic 源自 MCE。


在药物筛选 (Drug screening) 中,2D 培养缺乏组织结构和复杂性,这可能是药物筛选结果多次不能重现体内环境的原因,而患者来源的类器官 (PDO) 高度概括了肿瘤来源的特征,具有更高的敏感性、异质性和稳定性,与传统的患者来源的癌细胞系 (PDC) 模型和人源肿瘤异种移植 (PDX) 模型相比,具有无可比拟的优势 (如图 3)

图 3. 建立大肠癌患者源性类器官体外肿瘤模型[13]

文中所用 Noggin, R-spondin 1, FGF-basic 源自 MCE。


此外,癌症类器官还可以在芯片上进行保存、复苏、无限传递和机械培养,用于药物筛选。许多影响人类的致病病毒表现出物种特异性,对新型病毒生物学的理解很大程度上依赖于允许病毒复制的体外模型,近期,类器官被用于 COVID-19 的研究,弥合了细胞系和体内动物模型之间的差距。


这么多优点,应用这么广泛,类器官技术这把火恐怕还不够旺?!


图 4. 类器官培养与 2D 细胞培养及动物实验研究的比较[5]


培养基中的“魔法”

类器官可以由两种类型的细胞生成:1) 多能干细胞 (PSC),例如胚胎干细胞 (ESC) 和诱导多能干细胞 (iPSC);2) 器官限制性成体干细胞 (ASC)在适当的条件下,用细胞外基质培养,如 Matrigel,辅以各种生长因子,促进干细胞增殖与分化,并自组织成功能性 3D 结构。


各种组织的类器官的培养方法是类似的,可以简单得概括为:

1) 类器官可以从原代组织中产生,把原生组织被分解成含有干细胞的功能性亚组织单元,再进一步消化成单个细胞并进行流式细胞分选以富集干细胞。源自 ESC 和 iPSC 的类器官向所需的胚系进行定向分化,最终聚集产生浮动的球状体,随后被嵌入细胞外基质开始类器官培养(如图 5)。

图 5. 从 ASCs 生成类器官的方法示意图[14]
将小肠组织切成几块(隐窝分离出来可做备选)。将小块组织与诸如胶原酶等在37℃下孵育,形成细胞悬浮液。将单细胞接种在 Matrigel 中,并在含有特定组织生长因子的培养基中生长。
2) 可操纵的培养系统实现定向分化:类器官通常在细胞外基质 (ECM) 中进行培养,ECM 周围是补充了类器官类型特定的生态位 (Niche) 因子的培养基。常见的 Niche 和 ECM 因子包括了 R-spondin、EGF、Noggin、Activin A、Collagen 等。

3) 干细胞在类器官中保持并长存,即保持“干性”,并且不断产生分化的多种细胞类型子代,这些细胞类型自组织成功能性 3D 结构。另外,3D 类器官可以解离,并镀到涂有基底膜基质 (MG) 或胶原蛋白 (collagen) 的膜支持物上,形成 2D 单层类器官模型。


图 6. 原代组织和 ESCs/iPSCs 产生和培养类器官[6]

器官自发地分化,或通过添加适当的分化因子和/或撤除促进干细胞特性的因子,以诱导分化得到所需的谱系或细胞类型。


类器官的培养离不开诱导细胞分化的细胞因子,MCE 提供各种类器官培养用细胞因子,高活性、高纯度、低内毒素!此外,类器官培养所需小分子小 M 也一并贴心奉上~~向培养基中加入神奇“魔法”,收获强大的研究工具!

细胞因子

Human EGF

上皮组织生长因子;EGF 与 EGF 受体结合,诱导增生性变化。

胃肠道、肝脏、甲状腺、脑等类器官培养所需因子。

Human FGF-2/4/9/10

FGFs 在早期发育中对中胚层诱导、肢体发育、神经诱导和神经发育有重要作用。在成熟组织中,FGFs 对血管生成、角质形成细胞组织和伤口愈合过程至关重要。

例如 FGF-basic (FGF-2)、FGF-10 是常见的类器官培养 Niche 因子,如肝脏类器官、前列腺类器官。

Human HGF

HGF/Met 信号通路促进肿瘤的生长、侵袭和迁移。

HGF 可充当肝细胞的有丝分裂原,用于肝类器官培养。

Human Wnt3a

Wnt 参与调节细胞发育、增殖、分化、粘附、极性、细胞-细胞通信、生存和自我更新功能。

Wnt3a 在类器官的扩展能力中起着重要的作用,是最常用培养因子之一。

Human BMP-4

BMP 在胚胎发生、发育和维持组织稳态中起着至关重要的作用。

体外实验中,BMP-2 和 BMP-4 被广泛应用于诱导多能干细胞 (iPSC) 和胚胎干细胞 (ESC) 产生肝细胞。

Human Noggin

骨形态发生蛋白的内源性抑制剂,调节细胞分化、增殖和凋亡。

Noggin 是最基础的类器官培养因子之一。

Human DKK-1

DKK-1 是典型的 Wnt 抑制剂,可诱导视网膜前体自组织。

小分子抑制剂

Y-27632 dihydrochloride

Rho 激酶抑制剂;常用于类器官构建。  

A 83-01

ALK4/5/7 抑制剂;抑制类器官的增殖。

MCE 的所有产品仅用作科学研究或药证申报,我们不为任何个人用途提供产品和服务。


参考文献

1. Madeline A Lancaster, Juergen A. Knoblich. Organogenesis in a dish: modeling development and disease using organoid technologies. Science. 2014 Jul 18;345(6194):1247125.

2. Claudia Corrò, Vivian S.W. Li, et al. A brief history of organoids. Am J Physiol Cell Physiol. 2020 Jul 1;319(1):C151-C165.

3. Marina Simian, Mina J Bissell. Organoids: A historical perspective of thinking in three dimensions. J Cell Biol. 2017 Jan 2;216(1):31-40.

4. Xiaolei Yin, Jeffrey M. Karp, Oren Levy, et al. Engineering Stem Cell Organoids. Cell Stem Cell. 2016 Jan 7;18(1):25-38.

5. Mo Li, Juan C Izpisua Belmonte. Organoids-Preclinical Models of Human Disease. N Engl J Med. 2019 Feb 7;380(6):569-579.

6. Aliya Fatehullah, Nick Barker, et al. Organoids as an in vitro model of human development and disease. Nat Cell Biol. 2016 Mar;18(3):246-54.

7. HansClevers. Modeling Development and Disease with Organoids. Cell. 2016 Jun 16;165(7):1586-1597.

8. Yoshiki Sasai, et al. In vitro organogenesis in three dimensions: self-organising stem cells. Development. 2012 Nov;139(22):4111-21.

9. Soumya K Kar, et al. Organoids: a promising new in vitro platform in livestock and veterinary research. Vet Res. 2021 Mar 10;52(1):43.

10. Eliah R Shamir, Andrew J Ewald. Three-dimensional organotypic culture: experimental models of mammalian biology and disease. Nat Rev Mol Cell Biol. 2014 Oct;15(10):647-64.

11. Hanxiao Xu, Kongming Wu, et al. Organoid technology and applications in cancer research. J Hematol Oncol 11, 116 (2018).

12. Chengyong He, Shaohua Ma, Zhenghong Zuo, et al. Black Phosphorus Quantum Dots Cause Nephrotoxicity in Organoids, Mice, and Human Cells. Small. 2020 Jun;16(22):e2001371.

13. Lisi Zeng, Shuzhong Cui, Shengwei Jiang, et al. Raltitrexed as a synergistic hyperthermia chemotherapy drug screened in patient-derived colorectal cancer organoids. Cancer Biol Med. 2021 Mar 12;18(3):750-762.

14. Hans Clevers. COVID-19: organoids go viral. Nat Rev Mol Cell Biol. 2020 Jul;21(7):355-356.



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