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用人造器官对抗疑难杂病不再是梦

2021-06-04 09:50
陈述根本
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文/陈根

干细胞研究作为当前生物学研究的一个重要分支,帮助了人们更好地理解生命发生的各个维度。以干细胞为起点,细胞和细胞之间通过间质连接在一起形成细胞团,再由于细胞内基因的差异化表达,进而形成了各类器官和组织。基于此,干细胞研究进一步发展出类器官技术,为再生医学更添研究良策。

类器官可以在很大程度模拟目标组织或器官的遗传特征和表观特征,在器官发育、精准医疗、再生医学、药物筛选、基因编辑、疾病建模等领域都有广泛的应用前景。早在2013年,类器官就被《科学》杂志评为年度十大技术。此外,类器官还被《自然·方法》评为2017年度方法。

近年来,类器官技术发展迅猛,取得的成就令人振奋。回溯类器官技术的发展与展望类器官技术的未来,类器官正跨越多重障碍,驶向未来。

陈根:类器官迅猛发展,用人造器官对抗疑难杂病

从自组织到干细胞

类器官(Organoids),顾名思义,即指其类似于组织器官。

具体来说,类器官是在体外用3D培养技术对干细胞或器官祖细胞进行诱导分化形成的在结构和功能上都类似目标器官或组织的三维细胞复合体,其具有稳定的表型和遗传学特征,能够在体外长期培养,它在形成过程中再现了体内器官发生的两个事件,即同类细胞以黏附的方式分类聚集和空间特异性的细胞谱系定型。

与传统2D细胞培养模式相比,3D培养的类器官包含多种细胞类型,突破了细胞间单纯的物理接触联系,形成了更加紧密的细胞间生物通信,细胞间相互影响、诱导、反馈,协作发育并形成具有功能的迷你器官或组织,能更好地用于模拟器官组织的发生过程及生理病理状态。因而,其在基础研究以及临床诊疗方面具有广阔的应用前景。

类器官的起源可以追溯到1907年。彼时,44岁的美国贝克罗莱那大学教授威尔逊 (H. V. Wilson)发现,通过机械分离的海绵 (sponge) 细胞可以重新聚集并自组织成为新的具有正常功能的海绵有机体,并于1910年发表他的研究结果。

尽管威尔逊可能也不会想到,当时的发现会成为未来类器官技术发展的源头。但不可否认,威尔逊的研究证明了成年的有机体在无需外界帮助、无需从特定的解剖学阶段开始,也具有完整的信息并可以成功发育成新的有机体。这为类器官的发展提供了可能。

1950年,一些实验室开始使用和威尔逊同样的方法,将组织剪碎后让其重新聚集并自组织,进而探究脊椎动物这样的高级动物是否同样可以进行自组装。其中,美国科学家阿伦·莫斯卡那就发现,破坏原有拓扑结构的鸡胚细胞团能够重新自组织成原有结构。其他科学家在两栖类动物中也得到了类似的结果。

这些实验结果暗含了类器官区别于其他2D或3D培养技术的特质——自组织(self-organization)。自组织作为系统的整体秩序产生于原本无序的系统局部间的交流,物理中的相变、化学中的结晶、生物中的蛋白质分子折叠都属于自组织现象。对于类器官领域来说,自组织更是在细胞如何从任意的、非人为精准设计的状态发育成具有器官特征、基因和表型特点的类器官中扮演了重要作用。

如果说自组织为类器官的形成提供了路径,那么干细胞技术则是类器官技术发展的起点。随着多能干细胞的出现,人们发现体外干细胞可自我发育成畸胎瘤或类胚体(EB),而在畸胎瘤中科学家检测到了从不同组织来源的细胞。因此,类器官的培养开始从2D转为3D,使得细胞的发育过程可以形成更加复杂的三维结构。

1987年开始,多个实验室成功的使用3D培养方法从干细胞构建了类似器官的培养物;2006年,Yaakov Nahmias和David Odde在体外将自我组织的vascular liver organoid成功培养了50天以上;2008年,Yoshiki Sasa的研究团队发现,干细胞可以自我组织成为神经球体,并在不同区间具有不同类型的细胞分层;

2009年,Hans Clever发现了肠道隐窝基底处的Lgr5阳性的细胞为肠上皮更新的关键——肠干细胞,揭开了类器官这个领域的新篇章;2020年9月,来自日本Lee J.等人甚至成功制作出可以自主搏动的心脏类器官。

目前,3D类器官培养技术已经成功培养出大量具有部分关键生理结构和功能的类组织器官,比如肾、肝、肺、肠、脑、前列腺、胰腺和视网膜等,从自组织到干细胞,再发展至类器官技术,而近年来,类器官取得的成就更是令人振奋。

陈根:类器官迅猛发展,用人造器官对抗疑难杂病

类器官驶向未来

类器官打开了再生医学的新篇章。由于类器官可以在很大程度模拟目标组织或器官的遗传特征和表观特征。因此,类器官在器官发育、精准医疗、再生医学、药物筛选、基因编辑、疾病建模等领域都被寄予厚望。

通过使用患者的诱导性多能干细胞(iPSCs)可建立有价值的疾病模型,并能在体外模拟重现病人疾病模型。同时,类器官的建立可以实现对药物药效和毒性进行更有效、更真实的检测。类器官可以直接由人类iPSCs直接培养生成,相比于动物模型很大程度上避免了因动物和人类细胞间的差异而导致的检测结果不一致。

比如,对于肿瘤治疗来说,类器官就具有其强的优势。一方面,其可以从患者来源的健康和肿瘤组织样品中建立类器官。而类器官的培养和建立,则可用于研究肿瘤生成过程中的突变过程,通过从同一肿瘤的不同区域培养无性繁殖的类细胞器,可以用来研究肿瘤内部的异质性。

另一方面,类器官的培养可用于临床前癌症的治疗检测及药物药效和毒性测试,这可将肿瘤的遗传背景与药物反应相关联。来自同一患者健康组织的类器官的建立提供了通过筛选选择性杀死肿瘤细胞而又不损害健康细胞的化合物来开发毒性较小的药物的机会。自我更新的肝细胞类器官培养物可用于测试潜在新药的肝毒性,而这则是临床试验中药物失败的原因之一。

事实上,自2016年起,类器官技术已被纳入临床试验中,截止到2020年9月,已有63起临床试验于FDA官方备案,其中更有8起临床试验的地点位于中国,这些临床试验的适应症包括肺癌、胰腺癌、结肠癌、乳腺癌、肝癌、食管癌等。

当然,尽管类器官的相关研究不断取得进展,人们也对它的前景产生了更多期待。但作为一项新生技术,类器官也仍存在局限。包括可重复性问题、不完善的细胞类型以及普遍缺乏成熟度的问题,都会限制其在研究细胞类型特异性相关的正常或疾病过程中的总体效应。

就类器官的组织结构和功能而言,基于对广泛细胞类型可再生性方案的改进,类器官研究面临的其中一个挑战就是如何使细胞组织成足以支持各细胞类型之间功能相互作用的空间型态。

陈根:类器官迅猛发展,用人造器官对抗疑难杂病

类器官的生长能力有限,当其超过一定大小时,很多细胞组织仍然是不成熟的。对大脑类器官来说,祖细胞区域的初步组织是共同特征,但有丝分裂后神经元外套膜的形成更具变数,主要神经元层的组织也并没有精确地再现。就目前而言,类器官仍然存在细胞结构组织的变异性和多能细胞系之间的大小差异,而这些都应该以原位人类皮质发育的细胞结构特征为基准。

就类器官的保真性而言,尽管基因表达研究在解决细胞类型和状态方面有着前所未有的能力,能够帮助改善体外方法,但它们在捕获细胞特性的特征方面仍然存在局限性。

细胞的特性的完善是由形态学、表观遗传状态、蛋白质和小RNA丰度、连接性、细胞器组成和分布以及功能参数等特征共同完成的,而不仅仅是转录组学所反映的。就此,目前对类器官的代谢和生理机能保真度的评估仍是困难重重。

此外,就类器官的研究,现阶段类器官的研究仍存在很多问题,重复性和一致性是重大的瓶颈。这些问题的造成,很大程度上是由于过程控制的欠缺与行业标准的空白。类器官培养过程中人为因素的过多参与、自动化程度低导致因为系统偶然性造成的误差较大。

同时,类器官检测手段十分匮乏。活体观察主要集中在形态学观察,断点观察集中在基于荧光的各类指标的检测,能够活体实时对类器官各项指标进行检测的光学、电化学等手段仍较为欠缺。

类器官技术是一种权衡模拟度与速度的模型,是满足当下伦理最具前景的器官、疾病模型之一。平衡建模的相似度与建模的速度,类器官站在了跷跷板的支点位置。类器官的前景和未来是可预见的,但在此之前,类器官依然要跨越多重障碍,这样最终才能成功迈向未来。

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