類器官概述

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(yè)角度闡釋，類器官是體外的3維立體微型細(xì)胞簇，高度模擬體內(nèi)相應(yīng)器官的結(jié)構(gòu)和功能^[1]。通俗來講就是類器官是一個體外構(gòu)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(zhí)行原始器官功能。

類器官的三個特征：

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

2、類器官的發(fā)展歷程

1907年，Henry Van 發(fā)現(xiàn)物理分離的海綿細(xì)胞可以重現(xiàn)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(fā)現(xiàn)了相似的細(xì)胞分離再聚合現(xiàn)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(xì)胞分化的差異粘附假說（DAH），1981年多功能干細(xì)胞（PSCs）被首次從小鼠的胚胎中分離出來，干細(xì)胞研究自此蓬勃發(fā)展^[7,8]。

1987年李茂林等人通過模擬生物體內(nèi)微生物環(huán)境優(yōu)化了細(xì)胞培養(yǎng)條件。研究表明，EHS (小鼠肉瘤：Engelbreth-Holm-Swarm) ECM(細(xì)胞外基質(zhì)：extracellular matrix)提取物中，乳腺上皮細(xì)胞可組織成3D導(dǎo)管和小導(dǎo)管^[9]，此外，Shannon JM在ECM細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞分化^[10]。但是直到 1998 年，美國生物學(xué)家 James Thomson 才首次從人胚泡中分離培養(yǎng)出人胚胎干細(xì)胞^[11]。

2006年，通過對小鼠和人成纖維細(xì)胞進(jìn)行重組編程，成功制備了人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSCs)，這對干細(xì)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(dǎo)多能干細(xì)胞自組織到形成極化皮質(zhì)組織的神經(jīng)細(xì)胞，奠定了類腦器官的基礎(chǔ)^[13]。2009年，Hans Clevers和他的同事首次證明了單個Lgr5⁺腸道干細(xì)胞（ASCs）可以自行組織分化形成包含所有腸細(xì)胞類型的腸隱窩-絨毛結(jié)構(gòu).這開啟了類器官技術(shù)發(fā)展的新時代^[14]。在此基礎(chǔ)上類器官模型成為替代傳統(tǒng)細(xì)胞系和異質(zhì)動物模型的新型研究模型。2010年，研究發(fā)現(xiàn)小鼠胚胎腎干細(xì)胞分離再組合可形成腎類器官^[15]。腸類器官可從體外誘導(dǎo)多能干細(xì)胞生成。

Nakano等在2012年證明了在三維構(gòu)建中PSCs自行組織成為了視杯結(jié)構(gòu)。2013年，人類大腦類器官由小頭患者的iPSCs細(xì)胞分化形成^[16]。Lee等人發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞和成年細(xì)支氣管肺泡干細(xì)胞在三維共培養(yǎng)模式下可產(chǎn)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(chǎn)生于2020年^[18]。

圖1. 類器官發(fā)展時間線

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

3、類器官的構(gòu)建與制備

類器官的形成：類器官可以由兩種類型細(xì)胞產(chǎn)生，一是多能干細(xì)胞（PSCs）,例如胚胎干細(xì)胞(ESCs)、誘導(dǎo)干細(xì)胞(iPSCs)，或器官限制性成體干細(xì)胞（ASCs）。這些細(xì)胞被培養(yǎng)在一個特定的環(huán)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(jié)構(gòu)。

從各種組織中培養(yǎng)類器官的方法是相似的。干細(xì)胞最常在基質(zhì)中培養(yǎng)，并在合適的外源因子(包括化學(xué)小分子抑制劑/激活劑、細(xì)胞因子和培養(yǎng)基添加劑)的存在下誘導(dǎo)形成相應(yīng)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(jié)構(gòu)非常相似的組織，如小腸和結(jié)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。

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(gòu)建的三要素：

• ● 細(xì)胞分化物理特征
• ● 關(guān)鍵信號路徑的激活/抑制
• ● 原始細(xì)胞的類型及條件

4、類器官的類別及應(yīng)用

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

圖3. 類器官及應(yīng)用

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

Jay Gopalakrishnan 的團(tuán)隊成功地在大腦類器官中誘導(dǎo)出雙邊對稱的視杯，并發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)可以感知光，同時向其他區(qū)域的大腦發(fā)送信號。當(dāng)這些類器官生長50-60天后，原來的“眼睛”發(fā)育成一兩個成熟的可見視泡結(jié)構(gòu)，稱為視泡腦類器官（OVB-organoids）。這項研究首先在功能上將視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)整合到大腦類器官中，在體外系統(tǒng)中再現(xiàn)神經(jīng)纖維從視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)向外延伸以連接大腦的目標(biāo)區(qū)域。該系統(tǒng)可以幫助研究胚胎發(fā)育過程中的“腦-眼”相互作用，為視網(wǎng)膜疾病的探索和治療提供有力的工具，為無數(shù)視網(wǎng)膜疾病患者的治愈帶來希望。

現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)了更精確的合成環(huán)境，通過用信號蛋白修飾基質(zhì)的生物惰性區(qū)域，可以更好地控制干細(xì)胞的活性。類器官工程技術(shù)對于一些體內(nèi)環(huán)境成分復(fù)雜、需要精確建模的發(fā)育研究特別有用。通過多能干細(xì)胞構(gòu)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(yī)學(xué)領(lǐng)域也有重要作用。

研究人員可以通過類器官來模擬人類發(fā)育和疾病，因為類器官是從人類干細(xì)胞或成年細(xì)胞產(chǎn)生的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞生長而來的，它們的成分和結(jié)構(gòu)也與原發(fā)組織相似，并且易于操作和冷凍保存。利用活檢技術(shù)就可以培養(yǎng)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(xì)胞的類器官系統(tǒng)來進(jìn)行個性化藥物功效測試，為患者提供更加精準(zhǔn)的治療方法。

雖然類器官技術(shù)在研究界的廣泛應(yīng)用還處于起步階段，但作為研究發(fā)育生物學(xué)、疾病病理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、再生機(jī)制、精準(zhǔn)醫(yī)療、藥物毒性和藥效實驗等廣泛學(xué)科的工具，類器官技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力。

參考文獻(xiàn)：

[1] Clevers, H. Modeling Development and Disease with Organoids [J]. Cell 2016, 165, 1586–1597.

[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.

[10] Shannon JM, Mason RJ, Jennings SD. Functional differentiation of alveolar type II epithelial cells in vitro: effects of cell shape, cell-matrix interactions and cell-cell interactions [J]. Biochim Biophys Acta 931: 143–156, 1987.

[11] Thomson JA, Itskovitz-Eldor J, et al. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts [J]. Science 282: 1145–1147, 1998.

[12] Takahashi K, Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors [J]. Cell 126: 663–676, 2006.

[13] Eiraku, Mototsugu, et al. Self-organized formation of polarized cortical tissues from ESCs and its active manipulation by extrinsic signals [J]. Cell stem cell 3.5 (2008): 519-532.

[14] Hans Clevers, Sato T, Vries RG, et al. Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche [J]. Nature 459: 262–265, 2009.

[15] Unbekandt, Mathieu, and Jamie A. Davies. Dissociation of embryonic kidneys followed by reaggregation allows the formation of renal tissues [J]. Kidney international 77.5 (2010): 407-416.

[16] Lancaster, Madeline A., et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly [J]. Nature 501.7467 (2013): 373-379.

[17] Lee, Joo-Hyeon, et al. Lung stem cell differentiation in mice directed by endothelial cells via a BMP4-NFATc1-thrombospondin-1 axis [J]. Cell 156.3 (2014): 440-455.

[18] Clevers, H. Modeling Development and Disease with Organoids [J]. Cell 2016, 165, 1586–1597.