模型系统通过从分子至整个生物体水平概括身体过程与功能来促进生物学研究。人体由以高度专门化方式组织的细胞和非细胞材料组成。用一种体外模型系统很难模拟人类生物学的所有方面。与在2D平面上生长细胞相比,3D细胞培养模型更准确地代表活体生物体中细胞所经历的自然环境。
类器官是源自原代组织或干细胞的体外衍生3D细胞聚集体,其能够自我更新、自我组织并显示器官功能。3类器官通过提供以下条件解决现有模型系统的局限性:
图 1.小鼠小肠上皮类器官按照Clevers等,Clevers et al. Science.2013 概述的实验方案,从成年小鼠肠组织生成3D类器官。类器官细胞在培养的第3-5天开始形成管腔和芽结构,并在第7-10天左右形成复杂的腺窝样结构。这些腺窝样结构区域在功能上类似于成年肠的功能,其中LGR5+ 小肠干细胞的分裂插入位于腺窝基部的潘氏细胞。
类器官和类球体都是在3D培养细胞。球状体通常由癌细胞系或肿瘤活检组织形成,为超低附着平板中的自由漂浮细胞聚集体,而类器官则来自嵌入在ECM水凝胶基质(如基质胶)中的组织干细胞。与球装体相比,类器官高度复杂,更接近体内状态。近来,肿瘤类器官已表现出预测患者对癌症药物的反应、帮助制定个性化用药方案方面的作用。
图 2.类器官和球状体的对比。相对于肿瘤球状体,干细胞来源的类器官具有更接近体内的表型,组织复杂程度更高。
通过提供适当的物理和生化线索,从原代组织或多能干细胞(诱导的多能干细胞(iPSC)或胚胎干细胞(ESC))产生类器官4。
物理线索:为细胞附着和存活提供支持。实例包括胶原蛋白、纤连蛋白、巢蛋白和层粘连蛋白。
生化线索:调节信号通路,从而影响增殖、分化和自我更新。实例包括EGF、FGF10、HGF、R-spondin、WNT3A、视黄酸、GSK3β抑制剂、TGF-β抑制剂、HDAC抑制剂、ROCK抑制剂、头蛋白、激活素A、p38抑制剂和胃泌素。
类器官具有生理学相关性,适用于分子和细胞生物学分析,在基础研究和转化应用中具有很大的前景。
发育生物学: 源自ESC和iPSC的类器官保留着其发育阶段的特征,有助于研究胚胎发育过程、谱系规范和组织稳态。发育生物学还阐明了干细胞及其壁龛的发育。
传染病的疾病病理学:类器官代表器官的所有组成部分,适用于研究影响特定人类细胞类型的传染病。
再生医学:移植来自成体干细胞的类器官有助于取代受损的器官或组织。此外,使用CRISPR / Cas9技术进行基因校正的可行性,可用于治疗单基因遗传性疾病。
药物毒性和功效测试:能否测试药物对代表性靶标/器官(肠道、肝脏和肾脏)的功效和毒性,可能会潜在地限制与动物使用相关的伦理问题。
个性化药物:来自个体患者的成体干细胞的类器官使得能够对药物反应进行离体测试。
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