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        生物資訊

        Nature:人類 3D 干細胞

        作者:admin 來源:生物360 發布時間: 2018-06-24 16:18  瀏覽次數:
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        微流體裝置,例如這種“芯片肺”可用作干細胞生物學家的精細的研究工具。

        人類干細胞產生的 3D 微型組織,可用于在體外研究正常人類生物學和人類疾病。

        日本慶應大學醫學院(Keio University School of Medicine)的干細胞研究人員 Toshiro Sato 在實驗室的顯微鏡下觀察了一個培養皿。不過他看到的不是一片細胞,而是更復雜的結構——肉眼幾乎無法看清的球形組織。這些組織就是類器官。在適當的環境條件,干細胞會分化,并排列成與特定組織或器官類似的 3D 結構。

        類器官可由多潛能干細胞(具有分化成任意身體組織類型,例如肌肉、皮膚、腸道和大腦的潛能)分化形成。當在合適的條件下生長時,例如使用特定的生長因子時,干細胞自我組織成與體內組織類似的、由不同細胞組成的結構。相比之下,芯片器官(organs-on-chip, OOC)通常通過將干細胞和已經分化成所需細胞類型的細胞按照位置和結構布置在微型裝置上。英國劍橋醫學研究委員會分子生物學實驗室(MRC Laboratory of Molecular Biology)的發育生物學家 Madeline Lancaster 指出,類器官與 OOC 之間的區別在于“是自組織,還是人工構建”。

        類器官被評為了去年《自然》(Nature)雜志的年度技術,并越來越多地被用于研究正常發育和疾病進展。例如,Sato 的研究小組利用類器官來研究腫瘤形成的早期階段。他的研究小組使用 CRISPR 基因編輯技術來改變干細胞中的 DNA 序列,然后研究這些突變如何影響類器官的發育。Sato 表示,這種方法通過測試特定突變是否會重演癌癥發展來研究因果性。

        類器官和 OOC 在評估藥物、化學品和化妝品的功效和安全性方面也很有潛力,并可能被應用于再生醫學。哈佛大學(Harvard University)懷斯生物啟發工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)的創立者 Donald Ingber 舉了個例子:隨機臨床試驗面臨的挑戰是如何比較治療效果,因為參與者的遺傳學和生活史可以影響他們對候選藥物的反應。來自患者細胞的 OOC 和類器官具有相同的遺傳學和臨床歷史,因此可以消除這些混雜效應。然而,這些技術還有待進一步發展,例如如何擴大生產規模以滿足不斷增長的基礎和應用研究需求,同時提高可重復性,并保持類器官和 OOC 與其所代表的體內器官的保真度。

        培養皿里的器官

        研究人員用來制造類器官和 OOC 的多潛能干細胞包括天然胚胎干細胞(embryonic stem, ES),以及通過誘導已分化細胞(如成纖維細胞)而得到的、具有多能性的細胞,即誘導多潛能干細胞(induced pluripotent stem cell, iPS 細胞)。Lancaster 利用類器官來研究基本的大腦發育,并確定自閉癥和精神分裂癥等復雜疾病的誘發因素,同時使用 ES 細胞來開發和測試研究方案和新模型。

        用于研究遺傳性疾病或個性化藥物的類器官通常由成體干細胞或 iPS 細胞制成,這些細胞經過改造后具有患者特異性。荷蘭烏得勒支干細胞與發育生物學研究所(Hubrecht Institute)的遺傳學家 Hans Clevers 利用源自腸干細胞的類器官來預測囊性纖維化患者對各種藥物的反應。囊性纖維化可由單個基因 CFTR 中的任何突變引起。盡管臨床上已有囊性纖維化的療法,但是非常昂貴,且僅適用于具有特定突變的患者。Clevers 的研究小組現在正在測試源自荷蘭 600 名不攜帶這些突變的囊性纖維化患者的類器官。其基本原理是,如果藥物能導致患者的類器官在測定條件下膨脹,那么患者也可能對該療法產生反應。

        同樣,Sato 的團隊也開發了一種使用成體干細胞產生腸類器官的方法。他現在正參與一項臨床試驗,以測試由 8 名患者的干細胞制成的組織是否可被安全地植入腸道,以修復由潰瘍性結腸炎引起的損傷。

        在癌癥研究和藥物開發中,類器官已經證明了自身的價值。國際人類癌癥模型計劃(International Human Cancer Models Initiative)正在開發“二代”類器官模型,其中某些 DNA 序列已被注釋。通過研究臨床數據,研究人員可以將他們在類器官上的發現與患者特征和結果聯系起來。美國國家癌癥研究所癌癥基因組辦公室(National Cancer Institute’s Office of Cancer Genomics)的主任 Daniela S. Gerhard 表示,今年晚些時候,人們就可以從美國典型培養物保藏中心(American Type Culture Collection, ATCC)訂購這些類器官了。ATCC 最開始將提供約 150 種不同的類器官模型,目前售價尚未確定。由 Clevers 擔任首席科學家的 Hubrecht 類器官生物樣本庫(Hubrecht Organoid Technology biobank)提供了數百種來自成體干細胞的不同類型的器官,價格在 2000 到 3000 歐元之間(折合 1700-2600 美元)。Clevers 等人使用來自 18 名患者的結腸直腸癌細胞衍生的類器官來檢測 83 種抗癌化合物。類器官中的耐藥模式與已知的耐藥突變相對應,表明類器官可用于預測患者對特定藥物的反應。

        Clevers 指出,由 ES 細胞和 iPS 細胞衍生出來的組織是研究復雜的發育過程的理想模型,但它們的生產周期較長,可能需要數周或數月;若由成體干細胞構建類器官,則生產周期短一些。由于構建時間短,被引入突變的概率也更小,因此相對于 ES 和 iPS,由成體干細胞構建的類器官的重現性更好。

        培養類器官的過程類似于標準的組織培養工作。Sato 表示,即便是新入門的研究生,也可以在幾周內輕松培育出類器官。Lancaster 補充,由干細胞構建組織是一件很容易的事,難點在于結果解讀。我們很難確定得到的類器官更像哪些真實組織。

        OOC 的一致性

        有時也被稱為微生理系統或組織芯片的 OOC 是一種可用于培養細胞的、名為微流控芯片的結構化微型器件。與干細胞自發發育的類器官不同,OOC 的發育過程是被設計好的。芯片的結構以及細胞的類型和位置決定了出現的組織及其排列方式。對此,加拿大麥克馬斯特大學(McMaster University)的生物工程師 Boyang Zhang 表示,這意味著 OOC 通常比類器官更穩定。當然,OOC 也可能更復雜,因為開發人員可以添加工程元素,如傳感器、促進流體和氣體交換的“脈管系統”,以及便于成像的元素,這些元素不能自發地出現在類器官中。

        我們可以購買某些組織芯片。開發 OOC 的生物工程師可以從企業或科研機構那里獲得他們的初始芯片。Wyss 研究所的一個研究小組利用涂有合成聚合物的顯微鏡載玻片制成了“芯片心臟”。采用患有先天性心臟病的 Barth 綜合征患者的 iPS 細胞,研究小組首先誘導 iPS 細胞分化成心肌細胞,然后在芯片上培養這些細胞以產生可測試功能的組織。研究人員能夠證明與 Barth 綜合征相關的突變導致心肌細胞功能異常。他們也能夠在體外糾正缺陷。

         

         

        內耳類器官的橫截面。

        由 Zhang 共同創立的 TARA Biosystems 公司開發了一種名為 Biowire 的心臟 OOC,以用于藥物測試。TARA 科學家將來自 iPS 細胞的心肌細胞放入一個微型裝置中,細胞會圍繞裝置中的一根細絲生長。這有助于引導心肌細胞按照功能所需的常規結構進行排列。發育中的“心肌”在電刺激誘導下,成為可以收縮和放松的成熟心肌,并且可以模仿真實心臟組織的功能。例如,施加腎上腺素,心臟 OOC 收縮會增加。

        Nortis 公司通過玻璃纖維周圍的固化膠原基質來創建 OOC,然后將玻璃纖維去除,得到數毫米長的、直徑約 100 微米的空心通道。一旦往管道里接種細胞,組織就會在幾天內形成。這種芯片是一次性的,可以運行三個并行實驗,售價 300 美元。

        Nortis 首席執行官 Thomas Neumann 表示,干細胞生產 OOC 的優勢將更加突出,因為干細胞在再生醫學和個性化醫療上具有重要潛力。但是,他也指出,如果干細胞產生的 OOC 沒有完全分化或成熟,就會產生問題,所以質量保證將變得更加重要。

        OOC 可被設計成具有很高的復雜度,而這是類器官無法比擬的。例如,OOC 可以用來模擬生理特性,如組織拉伸、脈動和蠕動。Ingber 在 2010 年發表的關于肺毛細血管—肺泡界面的微型模型的論文創造了“芯片肺”,開辟了這一領域的先河。芯片上的通道由一側分隔肺泡細胞,另一側分布血管細胞的膜分開。而呼吸則可以通過向側室抽吸空氣來模擬。Ingber 指出,機械微環境對于獲得體內功能至關重要。該團隊使用這種模擬呼吸系統來測試納米粒子的毒性。

        我們也可以將多個 OOC 連接在一起,創建多器官的“芯片身體”模型??的螤柎髮W(Cornell University)的生物工程師 Michael Shuler 的團隊已經制作出了一個封閉的 OOC 系統。該系統有 14 個腔室,代表具有“屏障”功能的器官,例如肺部中的肺泡,以及“非屏障”功能的器官,如心臟中的組織。

        麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)的生物工程師 Linda Griffith 等人成功建立了一個十器官系統,其中物質可以從一個器官流到另一個器官,就像它在身體中的輸送一樣。一些器官,如“大腦”,起源于 iPS 細胞;而包括“肝臟”在內的其它器官則來自細胞系或其它分化細胞。該組織可以存活四周,并且該系統具有一定的生物學功能。例如,從腸道組織進入系統的藥物被傳遞到肝臟,在肝臟被代謝。Griffith 表示,該項目費時、費力還費錢,而且涉及多學科協作,不僅需要生物工程師和機械工程師,還需要建模者將芯片的數據解讀成相應的人體過程。實際上,科學家通常只用連接 2 到 4 個 OOC 就非常合適了。

        OOC 的開發者現在正在著眼于向行業和監管機構展示該技術的價值和有效性。擴大 OOC 的使用將需要更易于批量化生產的構建方法和高通量應用。多個 OOC 連接的系統面臨的一個挑戰是尋找適合所有組織類型的培養基和培養條件——例如,支持肝細胞的培養基并不一定適用于肺細胞。實現準確的模型還需要調整細胞數量和各種芯片的活動,以便準確地模擬這些器官在人體中的功能。Ingber 認為,總的來說,OOC 領域將變得更具用戶友好性。它已經到了即插即用的地步,你不需要成為微系統工程師就能使用 OOC。

        展望未來

        隨著類器官和 OOC 使用的日益廣泛,研究人員下一步便是著手解決更復雜的問題。Griffith 等人正在將腸道微生物群添加到他們的系統上,如已連接腸道、肝臟和大腦以研究帕金森病的模型。她指出,隨著成本的下降和可重復性的提高,OOC 可能會開始替代實驗動物,從而成為人類受試者的替代物。若從工程化的角度出發,那么在生物學上我們目前仍處初期階段。我們該思考如何用這些簡約模型來正確地表征生物系統。

        Ingber 的研究小組以類似芯片肺的方式使用 OOC,以創建肺部氣道片來測試香煙煙霧帶來的影響。該模型允許研究人員分析在吸煙和不吸煙兩種情況下,來自相同人類供體的組織的基因表達譜的差別。

        雖然類器官和 OOC 各有其擁護者,但其實二者可以從根本上回答相同的問題。它們之間的界限已經模糊。Zhang 希望在接下來的幾年里,能看到將二者結合,各取所長的論文。Zhang 倡導所謂的協同工程:基于自組織和發育的相關知識,開發 OOC 上的類器官。他設想將 OOC 的受控結構、內置讀出和機械能力與類器官對組織和器官特征的保真度結合起來。Lancaster 和其他人正在積極努力,將類器官和 OOC 研究人員聚集在一起——例如,舉辦研討會分享難點、方法和想法。她指出,對于科學而言,合作比各自為戰有效得多??珙I域合作,才能收獲最多。

        更多閱讀:芯片模型

        類器官和芯片器官(OOC)可用于藥物開發、化妝品檢測、毒理學和個性化醫療。以下是它們的一些優點和缺點。


            OOC 組織來源:通常來自從人體分離的細胞系或分化細胞,但也可以來源于干細胞。主要優勢:重復性和一致性,可加入生物力學特征。未來發展:使用 iPS 細胞和干細胞,而非來自患者的細胞系來構建,以增加對個性化藥物的適用性。了解更多信息:National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine webinar ‘The NIH Microphysiological Systems Program’ (see go.nature.com/2hm3bch)類器官來源:由自組織 ES 細胞、iPS 細胞或成體干細胞產生。主要優勢:可用于研究單細胞發育成器官的過程,以及發育疾病中的相關過程。未來發展:提高需要獲得穩定測試結果,如藥物測試的可重復性和實用性;并找到構建類器官中的血管的方法。了解更多信息:Cell Press webinar ‘Organoids and beyond — 3D tissue in a dish’ (see go.nature.com/2jiumvb)

        原文檢索:C. Y. Tachibana. (2018)Stem-cell culture moves to the third dimension. Nature, 558: 329-331. 張潔 / 編譯

         

         

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