人生小哲理
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潛心研究
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正文
類(lèi)器官是干細(xì)胞技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。今天，我們就來(lái)盤(pán)點(diǎn)一下干細(xì)胞在類(lèi)器官領(lǐng)域的研究進(jìn)展。
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干細(xì)胞，是一類(lèi)能夠自我更新并分化形成多種組織細(xì)胞類(lèi)型的原始細(xì)胞。當(dāng)其他細(xì)胞和組織、器官發(fā)生受損、炎癥或體內(nèi)穩(wěn)態(tài)發(fā)生變化時(shí)，干細(xì)胞就可能成為血液、骨、皮膚、肌肉等的種子細(xì)胞，進(jìn)一步分化成機(jī)體所需要的細(xì)胞進(jìn)行組織修復(fù)，或發(fā)揮積極的免疫調(diào)節(jié)作用。
類(lèi)器官（Organoids）被定義為一種體外培養(yǎng)的能夠自我更新和自我組織，并具有來(lái)源組織器官功能3D細(xì)胞簇。因此，又被成為迷你器官(mini-organs)。作為體外模型系統(tǒng)，類(lèi)器官可用于研究組織發(fā)育、建立疾病模型、篩選藥物和檢測(cè)毒性。
目前，已成功培育出腦、結(jié)腸、內(nèi)耳、小腸、腎臟、肝、肺、胰腺等不同器官的類(lèi)器官，其培養(yǎng)條件及方法各不相同。
01 皮膚類(lèi)器官重要突破，培養(yǎng)出完整“”皮膚”
——Nature
脫發(fā)問(wèn)題是現(xiàn)代社會(huì)無(wú)聲的痛。雖然目前還沒(méi)有找到擺脫脫發(fā)的方法，但是科學(xué)家們對(duì)于脫發(fā)的研究從未放棄，甚至愈演愈烈。
2020年6月3日來(lái)自美國(guó)波士頓兒童醫(yī)院的，在國(guó)際頂刊Nature 上在線發(fā)表題為Hair-bearing human skin generated entirely from pluripotent stem cells的文章，報(bào)道了使用人多能干細(xì)胞，經(jīng)過(guò)140天，成功培養(yǎng)出了帶有皮膚附屬器（汗腺、皮脂腺、毛囊）及完整的神經(jīng)回路的皮膚類(lèi)器官。并將培養(yǎng)出的“人類(lèi)皮膚”移植到裸鼠身上，然后，移植的皮膚在原本沒(méi)有任何毛發(fā)的裸鼠身上長(zhǎng)出了一小撮茂密的“頭發(fā)”！
這項(xiàng)研究得到 Nature 雜志同步發(fā)表的評(píng)論的高度評(píng)價(jià)，其令人激動(dòng)之處在于：過(guò)去對(duì)人造皮膚的嘗試，都只是制造出一層“皮”，缺乏皮膚附屬組織和觸覺(jué)感受器（神經(jīng)回路）。這層“皮”既沒(méi)有毛孔，也長(zhǎng)不出毛發(fā)，更無(wú)法分泌汗液和皮脂，也不能感受到觸覺(jué)和痛覺(jué)。
因此，這是世界上第一次培養(yǎng)出完整“皮膚”，雖然目前技術(shù)上還有諸多限制，很多問(wèn)題尚未解決，但勝在打破了壁壘，邁出了第一步。
[1]Lee, J., Rabbani, C.C., Gao, H. et al. Hair-bearing human skin generated entirely from pluripotent stem cells. Nature(2020).
02 鑒定胰島成體干細(xì)胞，建立胰島類(lèi)器官培養(yǎng)體系
——Cell
一直以來(lái)，胰島中是否存在成體干細(xì)胞飽受爭(zhēng)議。因此，發(fā)現(xiàn)并且鑒定胰島成體干細(xì)胞是一個(gè)長(zhǎng)期難題。在頂尖學(xué)術(shù)期刊 Cell 上，中國(guó)科學(xué)院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所曾藝課題組首次發(fā)現(xiàn)并鑒定了小鼠胰島中的成體干細(xì)胞，隨后建立了胰島類(lèi)器官培養(yǎng)和長(zhǎng)期擴(kuò)增的體系。
思路是這樣的：通過(guò)高通量單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，從茫茫胰島細(xì)胞中找到一個(gè)具有上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化特性的Procr細(xì)胞；經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，這個(gè)Procr細(xì)胞屬于未分化狀態(tài)的細(xì)胞；通過(guò)譜系示蹤實(shí)驗(yàn)，在小鼠體內(nèi)可分化成胰島的全部類(lèi)型細(xì)胞；隨后成功建立了具有功能的胰島類(lèi)器官和長(zhǎng)期擴(kuò)增的體系，并且能夠恢復(fù)糖尿病小鼠的血糖水平。
小鼠胰島成體干細(xì)胞（左），胰島類(lèi)器官培養(yǎng)和擴(kuò)增體系（右）
這項(xiàng)研究意義重大，首次發(fā)現(xiàn)并鑒定出小鼠胰島中的成體干細(xì)胞的身份，證實(shí)了成體胰島存在干細(xì)胞，是干細(xì)胞基礎(chǔ)研究的重大突破。建立了具有功能性胰島類(lèi)器官培養(yǎng)和長(zhǎng)期擴(kuò)增的體系，可以源源不斷地獲得可用于移植的胰島β細(xì)胞。雖然這項(xiàng)工作是基于小鼠的，但為在成人體內(nèi)找到相應(yīng)的胰島干細(xì)胞開(kāi)拓了新的思路。
[2]Long-Term Expansion of Pancreatic Islet Organoids from Resident Procr Progenitors Cell 2020
03 首個(gè)“屏蔽”免疫的人胰島類(lèi)器官
——Nature
利用干細(xì)胞技術(shù)，Salk 研究所的科學(xué)家們研制出了首個(gè)能夠屏蔽免疫系統(tǒng)的人胰島類(lèi)器官。這些具有胰島功能的細(xì)胞群移植到糖尿病小鼠體內(nèi)后，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定血糖，同時(shí)無(wú)需使用免疫抑制藥物來(lái)克服移植產(chǎn)生的免疫排斥現(xiàn)象。2020年8月19日，在線發(fā)表在Nature 上，其論文題目為“Immune-evasive human islet-like organoids ameliorate diabetes”的研究結(jié)果。
關(guān)鍵部分在于，在模擬的人類(lèi)胰腺的環(huán)境中利用iPSC技術(shù)成功培養(yǎng)出胰島β樣細(xì)胞，具有胰島樣的特性。研究小組發(fā)現(xiàn)wnt4蛋白是能夠打開(kāi)體外葡萄糖刺激強(qiáng)大的胰島素分泌所必需的物質(zhì)。制備出了人類(lèi)胰島的功能性細(xì)胞簇：被稱作人類(lèi)胰島樣類(lèi)器官（HILO）。
人類(lèi)胰島類(lèi)器官生成示意圖
胰島樣類(lèi)器官的最新成果將有助于推動(dòng)開(kāi)發(fā)糖尿病替代療法，未來(lái)病人有望不再依賴于需要免疫抑制的來(lái)源胰島，以及常見(jiàn)的設(shè)備依賴型技術(shù)。對(duì)于1 型糖尿病患者來(lái)說(shuō)，這是非常好的消息！
[3]Yoshihara, E., O’Connor, C., Gasser, E. et al., (2020).Immune-evasive human islet-like organoids ameliorate diabetes. Nature. DOI: 10.1038/s41586-020-2631-z
04 誘導(dǎo)多能干細(xì)胞變身肝臟類(lèi)器官
——Cell Reports
美國(guó)匹茲堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員公布了一項(xiàng)最新研究，使用人類(lèi)皮膚細(xì)胞重編程誘導(dǎo)的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）創(chuàng)建了功能完備的微型肝臟（即類(lèi)器官），移植到大鼠中存活了四天。
相關(guān)研究成果題目為“Assembly and Function of a Bioengineered Human Liver for Transplantation Generated Solely from Induced Pluripotent Stem Cells”，發(fā)表在Cell Reports上。這些微型肝臟就像正常肝臟一樣，會(huì)分泌膽汁酸和尿素。在自然環(huán)境中肝臟成熟需要長(zhǎng)達(dá)兩年的時(shí)間，但研究者卻在不到一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)做到了。
研究者長(zhǎng)期目標(biāo)是創(chuàng)建可以代替器官捐贈(zèng)的器官，但這項(xiàng)研究的積極意義在于，看到人類(lèi)誘導(dǎo)iPSC分化器官的潛能。在急性肝功能衰竭中，可能只需要一段時(shí)間的肝強(qiáng)化治療，并不是需要整個(gè)肝臟移植。”
這項(xiàng)研究仍有許多挑戰(zhàn)需要克服，包括長(zhǎng)期生存和安全問(wèn)題。
[4]Takeishi K , et al. Assembly and Function of a Bioengineered Human Liver for Transplantation Generated Solely from Induced Pluripotent Stem Cells[J]. Cell Reports, 2020, 31(9):107711.
05 小腸類(lèi)器官干細(xì)胞的命運(yùn)調(diào)控大師
——Cell Stem Cell
組織和器官是由擁有不同物理性質(zhì)的細(xì)胞有序地搭建而成。自我更新的小腸表皮，有序的折疊成隱窩和絨毛結(jié)構(gòu)。小腸干細(xì)胞（Lgr5 ）在小腸隱窩底部自我更新。小腸干細(xì)胞在隱窩底部產(chǎn)生壓力，并將分化后的小腸上皮細(xì)胞推向絨毛頂端。復(fù)雜的物理微環(huán)境導(dǎo)致小腸內(nèi)的細(xì)胞存在極大的異質(zhì)性和穩(wěn)定性。然而細(xì)胞的物理性質(zhì)和力學(xué)微環(huán)境如何調(diào)控小腸隱窩的功能仍未知。
2020年10月13日，麻省理工學(xué)院郭明課題組在Cell Stem Cell 上發(fā)表了題為“Volumetric Compression Induces Intracellular Crowding to Control Intestinal Organoid Growth via Wnt/beta-Catenin Signaling” 的研究論文。
該論文報(bào)道了細(xì)胞內(nèi)分子擁擠在小腸類(lèi)器官力學(xué)傳導(dǎo)和干細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控中的作用。作者發(fā)現(xiàn)，在高滲培養(yǎng)液擠壓的條件長(zhǎng)時(shí)培養(yǎng)，可以有效的誘導(dǎo)成熟分化的小腸類(lèi)器官（crypt organoid）轉(zhuǎn)化成為以干細(xì)胞為主的干細(xì)胞團(tuán)類(lèi)器官（ISCs sphere）。
[5]https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.09.012
06 開(kāi)發(fā)新型大腦類(lèi)器官模型
——Cell Stem Cell
大腦類(lèi)器官是利用人類(lèi)多能干細(xì)胞在體外培養(yǎng)形成的三維組織，具有類(lèi)似于胚胎人類(lèi)大腦的細(xì)胞類(lèi)型和細(xì)胞結(jié)構(gòu)，是研究人類(lèi)大腦發(fā)育和疾病的、有價(jià)值的模型系統(tǒng)。
2020年3月5日，賓夕法尼亞大學(xué)明國(guó)莉課題組在Cell Stem Cell雜志上發(fā)表文章Sliced Human Cortical Organoids for Modeling Distinct Cortical Layer Formation，開(kāi)發(fā)了新型大腦類(lèi)器官模型。
作者們構(gòu)建了片狀新皮質(zhì)類(lèi)器官（Sliced Neocortical Organoid，SNO）系統(tǒng)，通過(guò)將前腦類(lèi)器官精確地切成圓盤(pán)狀，使祖細(xì)胞區(qū)暴露于外部培養(yǎng)環(huán)境中，從而解決了缺氧和內(nèi)部細(xì)胞死亡的問(wèn)題。
在長(zhǎng)期的SNO培養(yǎng)中，細(xì)胞增殖和神經(jīng)發(fā)生持續(xù)存在，并且祖細(xì)胞區(qū)和神經(jīng)元層的大小都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了以前。在這種培養(yǎng)體系中，分離的神經(jīng)層表現(xiàn)出不同的皮層特異性神經(jīng)元亞型標(biāo)記，與妊娠中期驚人相似。重要的是，這些自發(fā)活躍的神經(jīng)元之間也具有穩(wěn)定的神經(jīng)連接。
這一研究克服了傳統(tǒng)類(lèi)器官3D培養(yǎng)中出現(xiàn)的問(wèn)題，比如缺氧、細(xì)胞死亡等，為研究晚期大腦發(fā)育提供了良好的平臺(tái)。
[6]
https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.02.002
07 首次在胚胎早期階段獲得心臟類(lèi)器官
——Cell Stem cell
曾經(jīng)有一段時(shí)間，在實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)器官的想法只能出現(xiàn)在科幻小說(shuō)中。如今，隨著類(lèi)器官的出現(xiàn)，干細(xì)胞生物學(xué)和組織工程學(xué)正在將其變成現(xiàn)實(shí)：在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)出具有生理功能的類(lèi)器官。從本質(zhì)上講，干細(xì)胞可以為我們提供按需生產(chǎn)的組織和微型器官，用于制藥領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)研究，而無(wú)需始終依賴捐助者。
近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院實(shí)現(xiàn)了在胚胎早期階段成功生產(chǎn)出小鼠心臟類(lèi)器官。2020年11月10日，國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Cell Stem Cell 在線發(fā)表了這一成果。
研究人員從小鼠的胚胎干細(xì)胞中生長(zhǎng)出類(lèi)器官，在適當(dāng)?shù)臈l件下，它們可以自組織成“模仿真實(shí)器官中發(fā)現(xiàn)的組織結(jié)構(gòu)，細(xì)胞組成和功能方面”。胚胎干細(xì)胞被置于特定條件下的細(xì)胞培養(yǎng)中，形成了一個(gè)三維聚集體，可以跟隨小鼠胚胎的發(fā)育階段，這個(gè)三維聚集體被稱為“Gastruloid”。
Gastruloid可用于模仿胚胎中心臟發(fā)育的早期階段，這是類(lèi)器官未經(jīng)探索的用途。小鼠gastruloid具有三個(gè)特征，使其成為模仿胚胎發(fā)育的合適模板：它們建立了像真實(shí)胚胎一樣的發(fā)育計(jì)劃，并且顯示出相似的基因表達(dá)模式。。這些胚胎類(lèi)器官（類(lèi)原腸胚）模擬了胚胎發(fā)育并支持心血管祖細(xì)胞的生成，包括第一和第二心臟區(qū)域。在原腸樣管附近形成跳動(dòng)的心臟組織之前，心臟祖細(xì)胞自組織成一個(gè)新月形的前部區(qū)域，從而心臟組織被心內(nèi)膜樣層隔開(kāi)。
這一突破性的工作為類(lèi)器官打開(kāi)了一個(gè)全新的維度，表明它們也可以用于模擬胚胎發(fā)育階段。
[7]https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(20)30507-5
干細(xì)胞：人類(lèi)類(lèi)器官的倉(cāng)庫(kù)
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