类器官培养——选多能干细胞 or 成体干细胞？| MedChemExpress

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多能干细胞 or 成体干细胞？

类器官在器官发育、疾病建模、药物开发和器官再生的研究中具有巨大的潜力。来自不同组织的类器官已经从成体干细胞 (ASCs) 和多能干细胞 (PSCs) 中建立，它们可以在培养中无限增殖，具有分化和重组的能力，以模仿它们的源器官。

由于不同的细胞类型起源于不同的发育阶段和遵循不同的路径，因此，在研究类器官形成机制时，起始细胞群的选择尤为重要。

图 1. ASCs 和 PSCs 衍生的类器官培养方案[1]

A: 源于 ASCs 的类器官：原发组织活检或切除组织制备成单细胞悬液，然后立即嵌入细胞外基质 (ECM) 中，随着组织的生长而变化，添加并定期改变培养基中的多种生长因子，直到类器官扩大 (Expanded)。B: 源于PSCs 衍生的类器官：PSCs 的 2D 干细胞培养物 (球状体) 被嵌入细胞外基质，在 3D培养基根据最终需要的组织类型的特定分化信号进行培养。

类器官内细胞的组成和组织是由正在生长的组织的特性决定的，这反过来又影响了类器官的整体大小和形状。

PSCs 衍生的类器官

PSCs 来源的类器官对于不易获得组织样本的器官，例如大脑的建模和模拟器官发生的发育过程是极富有前景的平台。一些类型的类器官仅能由 PSCs 构建，包括神经外胚层类器官，如视神经杯和大脑类器官，以及中胚层肾脏类器官。

内胚层衍生的上皮类器官，如胃肠道和呼吸类器官，也可以由 PSCs 构建。PSCs 可以分化成内胚层祖细胞，然后嵌入富含 ECM 蛋白的基质中，它们在适当的刺激下成熟，形成类似于天然器官的结构。与其 ASCs衍生的类似物相比，它们还包含间充质层，通常较大，但一旦建立，就不能通过简单的传代“再繁衍”。

从 ESCs/iPSCs 产生的类器官有 (神经外胚层) 视神经杯、大脑、 腺垂体、小脑；(内胚层) 胃、小肠、肝脏、肺、甲状腺；(中段中胚层) 肾。

图 2. 由 PSCs 生长的各种类器官和发育信号[2]

在体外，PSCs 衍生的类器官很难达到成体组织阶段，通常类似于胎儿期组织，其原因有两种可能：一是类器官发育需要长时间的条件限制培养，而实际培养能力有限；二是由于体外完全重现胚胎发育过程的能力有限，PSCs 衍生类器官细胞丢失与共发育细胞之间的关键相互作用。

ASCs 衍生的类器官

ASCs 衍生的类器官是通过直接解离感兴趣的组织 (包含内在的 ASC)，并在组织特异性生长因子条件下长时间培养来构建的。类器官的建立，就是通过 Lgr5+ 构建的小肠类器官 (见: 肠道类器官培养基，固定搭配还是DIY？)。对于 ASCs 衍生的类器官，Wnt信号通路激活是其建立的关键。这些类器官来源于从单细胞分选或解剖组织碎片中获得的 Lgr5+ 干细胞，它们在含有 Wnt 激活剂 (如 R-spondin1，在某些情况下还含有 Wnt3a) 的器官特异性培养基中生长。

ASCs 衍生类器官方案比 ESCs/iPSCs 衍生类器官更简单，与 PSCs 衍生的类器官相比，从 ASCs 生成成熟类器官的过程仅需几天。表面外胚层谱系的类器官 (特别是腺体组织) 主要来自于 ASCs 或分离的成体组织。可以从人类 ASCs 培养出的类器官包括结肠、小肠、肝脏、前列腺、胰腺、输卵管、胃、舌和子宫内膜。

基于 ASCs 的类器官用于模拟各种疾病，通常利用来自单基因疾病患者的细胞建立。除了单基因疾病建模外，基于 ASCs 的类器官也已应用于癌症建模。在药物筛选方面，除了基本的药物筛选外，患者来源的类器官也适合在个性化治疗中进行筛选。

多能干细胞 vs 成体干细胞

源于 ASCs 的类器官模拟体干细胞的动态维持，而源于 ESCs/iPSCs 的类器官则概括了相应器官的发育。虽然两者都保留了原始细胞的遗传信息，源于 ASCs 的类器官倾向于直接复制原始的组织表型。相比之下，可能基于ESCs/iPSCs 的多能性潜力，来自 ESCs/iPSCs 的类器官似乎能形成更复杂结构。然而实际上，ASCs 构建类器官的 Protocol 比 ESCs/iPSCs 的更简单，因为 ASCs 已经致力于组织特异性分化。

图 3. 源于 ESCs/iPSCs 和 ASCs 的类器官的优点和局限性比较[3]

尽管 PSCs 和 ASCs 衍生的类器官都可以在培养物中长期生长，但它们有明显的差异，体现在它们所代表的发育阶段，所包含的细胞类型以及复杂性上。

从 PSCs 衍生的类器官比从 ASCs 衍生的类器官稍微复杂一些: 胃肠道类器官就是一个明显的例子，源自 ASCs 的类器官仅包含器官特异性上皮细胞和干细胞，而源自 PSCs 的类器官则包含上皮细胞和间充质细胞，包括成纤维细胞和平滑肌，因为 PSCs 能够分化成任何细胞类型。

图 4. 已经建立的不同器官和组织的类器官培养[5]

今天，小 M 的介绍就到这里了，关于类器官培养，小伙伴还想知道什么呢？

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Wnt3a    Wnt 参与调节细胞发育、增殖、分化、粘附、极性、细胞-细胞通信、生存和自我更新功能。Wnt3a 是类器官构建最常用的培养因子之一。

EGF 上皮组织生长因子 EGF 与其受体结合，诱导增生性变化。EGF 是胃肠道、肝脏、甲状腺、脑等类器官培养所需因子。

R-spondin-1 R-spondin-1 在干细胞的自我更新和 Wnt 信号的激活中发挥作用。它能诱导肠隐窝上皮细胞增殖，促进肠上皮愈合，支持肠上皮干细胞更新，是小鼠/人类器官祖干细胞维持和增殖的关键因子。

Noggin Noggin 是骨形态发生蛋白的内源性抑制剂，调节细胞分化、增殖和凋亡。它是最基础的类器官培养因子之一。

BMP-2、BMP-4    BMP 在胚胎发生、发育和维持组织稳态中起着至关重要的作用。

CHIR-99021 选择性的 GSK3 抑制剂，可用于类器官的生成。CHIR99021+Valproic acid 或 CHIR99021+LDN-193189，可协同促进 Lgr5+  ISCs 在自我更新和未分化状态下的维持，得到富含 ISCs 的培养。

Valproic acid HDAC 的抑制剂；在类器官培养中，Valproic acid 和 CHIR99021 的组合可协同促进 Lgr5+ ISCs 在自我更新和未分化状态下的维持，得到富含 ISCs 的培养。

LDN-193189 一种选择性的 BMP I 型受体抑制剂，抑制 ALK2 和 ALK3 的 IC50 分别为 5 nM 和 30 nM。

IWP-2 Wnt 加工和分泌的抑制剂，其 IC50 为 27 nM。

DAPT 可抑制 Notch 1 信号传导并诱导细胞分化。

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参考文献

1. NinoIakobachvili, Peter J Peters. Humans in a Dish: The Potential of Organoids inModeling Immunity and Infectious Diseases. Front Microbiol. 2017 Dec 5;8:2402.

2. Hans Clevers. Modeling Development andDisease with Organoids. Cell. 2016 Jun 16;165(7):1586-1597.

3. Noriko Watanabe, Katherine ESantostefano, Naohiro Terada, et al. A pathologist's perspective on inducedpluripotent stem cells. Lab Invest. 2017 Oct;97(10):1126-1132.

4. Hanbyeol Lee, Jeong Suk Im, Da Bin Choi,Dong-Hun Woo. Trends in the global organoid technology and industry: fromorganogenesis in a dish to the commercialization of organoids. Organoid2021;1:e11.

5. Kai Kretzschmar, Hans Clevers. Organoids:Modeling Development and the Stem Cell Niche in a Dish. Dev Cell. 2016 Sep26;38(6):590-600.

6. Onur Basak, Joep Beumer, Hans Clevers,et al. Induced Quiescence of Lgr5+ Stem Cells in Intestinal Organoids EnablesDifferentiation of HormoneProducing Enteroendocrine Cells. Cell Stem Cell. 2017Feb 2;20(2):177-190.e4.

7. Claudia Corrò, Laura Novellasdemunt, etal. A brief history of organoids. Am J Physiol Cell Physiol. 2020 Jul1;319(1):C151-C165.

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9. Giuliana Rossi, Andrea Manfrin, MatthiasP Lutolf. Progress and potential in organoid research. Nat Rev Genet. 2018Nov;19(11):671-687.

10. Maarten H Geurts, Jelte van der Vaart,Hans Clevers, et al. The Organoid Platform: Promises and Challenges as Tools inthe Fight against COVID-19. Stem Cell Reports. 2021 Mar 9;16(3):412-418.

11. Xiaolei Yin, Benjamin E Mead, Jeffrey MKarp, Oren Levy, et al. Engineering organoids. Cell Stem Cell. 2016 Jan 7;18(1):25-38.