類器官——疾病研究和藥物開發(fā)的重要工具

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來源：做藥的土豆

2019-03-14

類器官是一種由不同類型干細(xì)胞通過自組織方式制備，能夠模擬原生器官結(jié)構(gòu)和功能的一類三維“微器官模型”。相比傳統(tǒng)的二維培養(yǎng)模型，類器官代表著一種能夠概括整個(gè)生物體生理過程的創(chuàng)新技術(shù)，具有更接近生理細(xì)胞組成和行為、更穩(wěn)定的基因組、更適合于生物轉(zhuǎn)染和高通量篩選等優(yōu)勢(shì)。

類器官的制備可以利用體細(xì)胞、成體干細(xì)胞（包括祖細(xì)胞）或多能干細(xì)胞。2009年，腸道器官模擬技術(shù)率先取得突破，研究人員發(fā)現(xiàn)，成人腸道干細(xì)胞可以在體外增殖和自發(fā)組織化。其特征是能夠表達(dá)LGR5，這是一種編碼Wnt激動(dòng)劑R-spondin受體的基因，同時(shí)需要特定的分子圍繞在旁，如Wnt、表皮生長(zhǎng)因子和noggin。以此為理論基礎(chǔ)，研究人員開發(fā)了一種三維培養(yǎng)體系，能夠在體外重建腸道干細(xì)胞的適宜環(huán)境，并從腸道上皮細(xì)胞或單個(gè)LGR5+干細(xì)胞分化出具有自我更新能力、保持腸道腺窩絨毛狀結(jié)構(gòu)的類器官。該模型可以持續(xù)擴(kuò)增達(dá)3個(gè)月，穩(wěn)定的基因組保證了純化和生產(chǎn)放大等優(yōu)勢(shì)，此后這種方法被用于從其它主要器官上皮組織制備各種類器官。

除了成體干細(xì)胞，多能干細(xì)胞（包括誘導(dǎo)干細(xì)胞和胚胎干細(xì)胞）也可以利用其自我更新及分化能力來制備類器官。由于從多能干細(xì)胞中提取的類器官是通過同質(zhì)群體定向分化而形成的，因此必須在一個(gè)喚醒胚胎發(fā)生的動(dòng)態(tài)過程中重新創(chuàng)造組織特異性細(xì)胞類型及其微環(huán)境。因此，多能干細(xì)胞類器官培養(yǎng)必須在分化過程中提供合適的生態(tài)位信號(hào)。由于這一過程較復(fù)雜，多能干細(xì)胞類器官往往含有不同于模型器官的細(xì)胞類型，使靶組織的信號(hào)環(huán)境和自組織復(fù)雜化。

類器官模型的應(yīng)用

1.建立疾病模型

與二維培養(yǎng)體系相比，類器官有助于闡明疾病的發(fā)展、穩(wěn)態(tài)和發(fā)病機(jī)制，為疾病的診斷和治療提供可能的新方法。以大腦類器官為例，它包括了人類特定的神經(jīng)發(fā)生過程，為研究人類大腦發(fā)育提供了寶貴的機(jī)會(huì)。這種類器官模型生長(zhǎng)在一個(gè)微加工的腔室中，可以進(jìn)行長(zhǎng)期的原位成像，目前已被用于模擬皮質(zhì)折疊，以及平腦癥的發(fā)病機(jī)制研究。平腦癥是由LIS1突變引起的。有研究表明，利用平腦癥患者的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞制備的大腦類器官，其外橈神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞存在有絲分裂缺陷，這在小鼠模型中很少出現(xiàn)。大腦類器官還被用來研究Zika病毒，這種病毒能夠優(yōu)先感染神經(jīng)祖細(xì)胞，降低其增殖和生存能力，這可能是Zika病毒造成頭部畸形的一個(gè)重要原因。

2.抗癌藥物篩選

多種原發(fā)性腫瘤如結(jié)腸癌、前列腺癌、乳腺癌、胰腺癌等細(xì)胞均已培養(yǎng)出對(duì)應(yīng)的類器官，這些“類腫瘤器官”已經(jīng)成為重要的臨床前篩選模型，能夠預(yù)測(cè)個(gè)體患者對(duì)療法的反應(yīng)。例如，在臨床試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)移性胃腸道癌癥患者的腫瘤類器官再現(xiàn)了這些患者對(duì)抗癌藥物的反應(yīng)。

腫瘤類器官也可用于腫瘤生態(tài)依賴的研究，通過對(duì)不同級(jí)別結(jié)直腸腫瘤類器官研究顯示，在從正常組織到腺瘤再到癌的轉(zhuǎn)變過程中，對(duì)生態(tài)因子的依賴性是逐漸降低的，而生態(tài)因子依賴性主要與腫瘤的基因組成有關(guān)。因此可以說，腫瘤類器官是一種將腫瘤相關(guān)基因組數(shù)據(jù)與腫瘤生物學(xué)聯(lián)系起來的手段，為藥物篩選和個(gè)性化治療提供研究基礎(chǔ)。

3.藥物不良反應(yīng)研究

藥物不良反應(yīng)，特別是器官**是藥物開發(fā)失敗和上市后撤回的主要原因，目前通用的細(xì)胞篩選和動(dòng)物模型篩選常常不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)人體的不良反應(yīng)發(fā)生。腎臟和肝臟**是最常發(fā)生的器官**，而人工制備的腎臟和肝臟類器官可以為**預(yù)測(cè)提供更準(zhǔn)確的手段，其中腎臟類器官已被證明可以闡釋順鉑和慶大霉素帶來的腎**。

類器官在不良反應(yīng)研究中的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在遺傳穩(wěn)定性和高通量篩選的重現(xiàn)性。例如，人類腎元祖細(xì)胞在三維培養(yǎng)中具有近乎無限的自我更新能力，這對(duì)于腎**篩選的標(biāo)準(zhǔn)化是一大幫助。最近，美國(guó)FDA開始測(cè)試三維“肝臟類器官”芯片，以檢測(cè)食品添加劑、營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑和化妝品中所使用化合物的肝**。

4.為基因和細(xì)胞療法服務(wù)

功能性類器官移植（或來自類器官的細(xì)胞）已出現(xiàn)在結(jié)腸、肝臟、胰腺、視網(wǎng)膜和甲狀腺等組織實(shí)驗(yàn)中。不同層次的證據(jù)被用來支持其功能，包括與自然生理組織的形態(tài)相似性，宿主連接（通過血管或神經(jīng)突觸）性，上皮通透性以及治療能力等。

基因組編輯也被用于糾正CFTR的突變，并恢復(fù)囊性纖維化患者結(jié)腸類器官中CFTR蛋白的功能。未來的細(xì)胞療法，類器官技術(shù)將會(huì)是細(xì)胞來源之一。然而，還需要更多的研究來評(píng)估這些方法的有效性和安全性，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞帶到臨床的將是很重要的一個(gè)努力方向。

類器官技術(shù)的挑戰(zhàn)&未來

盡管我們已經(jīng)在類器官研究方面取得了非常顯著的進(jìn)展，但該領(lǐng)域目前仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，包括制備方法的復(fù)雜多變和標(biāo)準(zhǔn)化的缺乏。所幸的是生物工程技術(shù)也在高速發(fā)展，給我們解決這些問題提供了更多手段。

1.類器官的胞外基質(zhì)和細(xì)胞組成

當(dāng)前的高通量篩選主要依賴細(xì)胞和酶水平的篩選，但是動(dòng)物來源的特性和化學(xué)性胞外基質(zhì)之間的差異可能會(huì)干擾結(jié)果，商品化的基質(zhì)凝膠無法再現(xiàn)體內(nèi)生物行為的動(dòng)態(tài)變化。在將基礎(chǔ)研究結(jié)果轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用的過程中，這些外源性風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)造成這樣或那樣的問題，增加了藥物臨床開發(fā)失敗的幾率?；|(zhì)工程技術(shù)可以根據(jù)需要改變胞外生理生化特性，合成外源差異較小的基質(zhì)，提高類器官的重現(xiàn)性。

缺少諸如血管形成、神經(jīng)支配等重要的生理過程體現(xiàn)，可能是類器官研究的一個(gè)阻礙。雖然有些類器官在移植時(shí)已形成血管化，但缺乏關(guān)于體外血管類器官培養(yǎng)的報(bào)道。間質(zhì)-腫瘤的相互作用對(duì)腫瘤的發(fā)生和轉(zhuǎn)移具有重要意義，為了研究腫瘤的發(fā)生，在類瘤細(xì)胞中加入了多種基質(zhì)成分，如免疫細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等。外周神經(jīng)系統(tǒng)在組織穩(wěn)態(tài)和修復(fù)中起著重要的作用，但很少在類器官中表現(xiàn)出來。為此，最近的一項(xiàng)研究通過包括多功能干細(xì)胞來源的神經(jīng)嵴細(xì)胞，生成了具有功能性腸神經(jīng)系統(tǒng)的人體腸道類器官。

用來制造類器官的原始材料可能會(huì)帶來可變性，從患者誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞中提取的類器官存在微小但可檢測(cè)的變異，這些變異取決于患者的年齡和遺傳背景以及研究組使用的培養(yǎng)方案。CRISPR-Cas9技術(shù)可用于設(shè)計(jì)具有同基因背景的類器官，從而減少變異。其他的創(chuàng)新可以減少培養(yǎng)條件的變化，由于腫瘤的異質(zhì)性，由患者腫瘤產(chǎn)生的腫瘤種類差異很大。培養(yǎng)基組成對(duì)腫瘤細(xì)胞和非腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)也有不同的影響。對(duì)大量腫瘤樣細(xì)胞的系統(tǒng)研究和SENSOR研究可以回答關(guān)于這種變異如何影響臨床應(yīng)用的問題。

2.類器官的組織結(jié)構(gòu)

類器官培養(yǎng)依賴于自組織（self-organization），有時(shí)會(huì)導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)異常。組織結(jié)構(gòu)可以通過提供由生物材料制成或用生物墨水打印的支架來改善。后一種技術(shù)已用于打印三維腎近端小管的可灌注組織芯片。這種“器官芯片”系統(tǒng)結(jié)合了微流體技術(shù)和類器官技術(shù)，為生物力學(xué)變量和生物活性分子傳遞提供了精確的控制。這些系統(tǒng)可以促進(jìn)在組織水平上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單細(xì)胞、細(xì)胞-細(xì)胞相互作用和代謝過程。然而，目前對(duì)類器官的研究普遍缺乏這種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力。這種技術(shù)的發(fā)展需要工程和生物學(xué)家之間的密切合作。在未來，成熟的生物材料和生物打印商業(yè)平臺(tái)可能會(huì)加快發(fā)現(xiàn)的步伐。

類器官技術(shù)已與其它前沿科技有效地結(jié)合起來，當(dāng)前挑戰(zhàn)的解決可能會(huì)進(jìn)一步提高類器官概括人類生理過程的精確性，最終使得類器官技術(shù)在疾病模型和藥物開發(fā)領(lǐng)域取得長(zhǎng)足進(jìn)展。

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