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)一下干細胞在類(lèi)器官領(lǐng)域的研究進(jìn)展。
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干細胞，是一類(lèi)能夠自我更新并分化形成多種組織細胞類(lèi)型的原始細胞。當其他細胞和組織、器官發(fā)生受損、炎癥或體內穩態(tài)發(fā)生變化時(shí)，干細胞就可能成為血液、骨、皮膚、肌肉等的種子細胞，進(jìn)一步分化成機體所需要的細胞進(jìn)行組織修復，或發(fā)揮積極的免疫調節作用。
類(lèi)器官（Organoids）被定義為一種體外培養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細胞簇。因此，又被成為迷你器官(mini-organs)。作為體外模型系統，類(lèi)器官可用于研究組織發(fā)育、建立疾病模型、篩選藥物和檢測毒性。
目前，已成功培育出腦、結腸、內耳、小腸、腎臟、肝、肺、胰腺等不同器官的類(lèi)器官，其培養條件及方法各不相同。
01 皮膚類(lèi)器官重要突破，培養出完整“”皮膚”
——Nature
脫發(fā)問(wèn)題是現代社會(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)自美國波士頓兒童醫院的，在國際頂刊Nature 上在線(xiàn)發(fā)表題為Hair-bearing human skin generated entirely from pluripotent stem cells的文章，報道了使用人多能干細胞，經(jīng)過(guò)140天，成功培養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(cháng)出了一小撮茂密的“頭發(fā)”！
這項研究得到 Nature 雜志同步發(fā)表的評論的高度評價(jià)，其令人激動(dòng)之處在于：過(guò)去對人造皮膚的嘗試，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(cháng)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 鑒定胰島成體干細胞，建立胰島類(lèi)器官培養體系
——Cell
一直以來(lái)，胰島中是否存在成體干細胞飽受爭議。因此，發(fā)現并且鑒定胰島成體干細胞是一個(gè)長(cháng)期難題。在頂尖學(xué)術(shù)期刊 Cell 上，中國科學(xué)院生物化學(xué)與細胞生物學(xué)研究所曾藝課題組首次發(fā)現并鑒定了小鼠胰島中的成體干細胞，隨后建立了胰島類(lèi)器官培養和長(cháng)期擴增的體系。
思路是這樣的：通過(guò)高通量單細胞轉錄組測序，從茫茫胰島細胞中找到一個(gè)具有上皮-間質(zhì)轉化特性的Procr細胞；經(jīng)過(guò)驗證，這個(gè)Procr細胞屬于未分化狀態(tài)的細胞；通過(guò)譜系示蹤實(shí)驗，在小鼠體內可分化成胰島的全部類(lèi)型細胞；隨后成功建立了具有功能的胰島類(lèi)器官和長(cháng)期擴增的體系，并且能夠恢復糖尿病小鼠的血糖水平。
小鼠胰島成體干細胞（左），胰島類(lèi)器官培養和擴增體系（右）
這項研究意義重大，首次發(fā)現并鑒定出小鼠胰島中的成體干細胞的身份，證實(shí)了成體胰島存在干細胞，是干細胞基礎研究的重大突破。建立了具有功能性胰島類(lèi)器官培養和長(cháng)期擴增的體系，可以源源不斷地獲得可用于移植的胰島β細胞。雖然這項工作是基于小鼠的，但為在成人體內找到相應的胰島干細胞開(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)能夠屏蔽免疫系統的人胰島類(lèi)器官。這些具有胰島功能的細胞群移植到糖尿病小鼠體內后，能夠長(cháng)期穩定血糖，同時(shí)無(wú)需使用免疫抑制藥物來(lái)克服移植產(chǎn)生的免疫排斥現象。2020年8月19日，在線(xiàn)發(fā)表在Nature 上，其論文題目為“Immune-evasive human islet-like organoids ameliorate diabetes”的研究結果。
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)成功培養出胰島β樣細胞，具有胰島樣的特性。研究小組發(fā)現wnt4蛋白是能夠打開(kāi)體外葡萄糖刺激強大的胰島素分泌所必需的物質(zhì)。制備出了人類(lèi)胰島的功能性細胞簇：被稱(chēng)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(lài)于需要免疫抑制的來(lái)源胰島，以及常見(jiàn)的設備依賴(lài)型技術(shù)。對于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 誘導多能干細胞變身肝臟類(lèi)器官
——Cell Reports
美國匹茲堡大學(xué)醫學(xué)院的研究人員公布了一項最新研究，使用人類(lèi)皮膚細胞重編程誘導的誘導多能干細胞（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(cháng)達兩年的時(shí)間，但研究者卻在不到一個(gè)月的時(shí)間內做到了。
研究者長(cháng)期目標是創(chuàng )建可以代替器官捐贈的器官，但這項研究的積極意義在于，看到人類(lèi)誘導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)間的肝強化治療，并不是需要整個(gè)肝臟移植?！?/p>
這項研究仍有許多挑戰需要克服，包括長(cháng)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)器官干細胞的命運調控大師
——Cell Stem Cell
組織和器官是由擁有不同物理性質(zhì)的細胞有序地搭建而成。自我更新的小腸表皮，有序的折疊成隱窩和絨毛結構。小腸干細胞（Lgr5 ）在小腸隱窩底部自我更新。小腸干細胞在隱窩底部產(chǎn)生壓力，并將分化后的小腸上皮細胞推向絨毛頂端。復雜的物理微環(huán)境導致小腸內的細胞存在極大的異質(zhì)性和穩定性。然而細胞的物理性質(zhì)和力學(xué)微環(huán)境如何調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。
該論文報道了細胞內分子擁擠在小腸類(lèi)器官力學(xué)傳導和干細胞命運調控中的作用。作者發(fā)現，在高滲培養液擠壓的條件長(cháng)時(shí)培養，可以有效的誘導成熟分化的小腸類(lèi)器官（crypt organoid）轉化成為以干細胞為主的干細胞團類(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)多能干細胞在體外培養形成的三維組織，具有類(lèi)似于胚胎人類(lèi)大腦的細胞類(lèi)型和細胞結構，是研究人類(lèi)大腦發(fā)育和疾病的、有價(jià)值的模型系統。
2020年3月5日，賓夕法尼亞大學(xué)明國莉課題組在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。
作者們構建了片狀新皮質(zhì)類(lèi)器官（Sliced Neocortical Organoid，SNO）系統，通過(guò)將前腦類(lèi)器官精確地切成圓盤(pán)狀，使祖細胞區暴露于外部培養環(huán)境中，從而解決了缺氧和內部細胞死亡的問(wèn)題。
在長(cháng)期的SNO培養中，細胞增殖和神經(jīng)發(fā)生持續存在，并且祖細胞區和神經(jīng)元層的大小都遠遠超出了以前。在這種培養體系中，分離的神經(jīng)層表現出不同的皮層特異性神經(jīng)元亞型標記，與妊娠中期驚人相似。重要的是，這些自發(fā)活躍的神經(jīng)元之間也具有穩定的神經(jīng)連接。
這一研究克服了傳統類(lèi)器官3D培養中出現的問(wèn)題，比如缺氧、細胞死亡等，為研究晚期大腦發(fā)育提供了良好的平臺。
[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)驗室里培養器官的想法只能出現在科幻小說(shuō)中。如今，隨著(zhù)類(lèi)器官的出現，干細胞生物學(xué)和組織工程學(xué)正在將其變成現實(shí)：在實(shí)驗室培養出具有生理功能的類(lèi)器官。從本質(zhì)上講，干細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)域和醫學(xué)研究，而無(wú)需始終依賴(lài)捐助者。
近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院實(shí)現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，國際知名學(xué)術(shù)期刊Cell Stem Cell 在線(xiàn)發(fā)表了這一成果。
研究人員從小鼠的胚胎干細胞中生長(cháng)出類(lèi)器官，在適當的條件下，它們可以自組織成“模仿真實(shí)器官中發(fā)現的組織結構，細胞組成和功能方面”。胚胎干細胞被置于特定條件下的細胞培養中，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(chēng)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)育計劃，并且顯示出相似的基因表達模式。。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胞的生成，包括第一和第二心臟區域。在原腸樣管附近形成跳動(dòng)的心臟組織之前，心臟祖細胞自組織成一個(gè)新月形的前部區域，從而心臟組織被心內膜樣層隔開(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
干細胞：人類(lèi)類(lèi)器官的倉庫
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