类器官的新用途

Monday, 08th February 2021

为什么使用类器官？

在基础研究和转化研究中，缺少合适的体外模型来准确代表特定组织和疾病状态是一种严重障碍。由此引发了 3D 类器官研发——它们比 2D 模型更为复杂，可提供稳定的人体生理环境模拟，适用于长期培养使用。研究人员模拟各种组织类型（包括胰脏、肝脏、肾脏、视网膜、大脑和肿瘤）制作了多种类器官，这些类器官在模拟这些系统方面具有巨大潜力，有助于我们深入理解复杂系统的生物学。类器官有潜力用于药物筛选、毒性检测、疾病建模以及研究胚胎发育。

什么是类器官？

类器官是由干细胞分化而来、自我组合的 3D 结构，能复现器官的一些特性。类器官由成体干细胞或诱导多能干细胞 (iPSCs) 诱导分化生成，取决于细胞黏附分子独特的表达谱及空间受限的谱系定向分化。从空间上限制组织中的细胞或使用生物支架可促进干细胞分化，对于类器官的形成起到重要作用。生物支架来源于 Engelbreth-Holm-Swarm (EHS) 小鼠肉瘤细胞（如 Cultrex^® Basement Membrane Extracts），最常用于实验室，可提供环境触发因素，包括促进细胞附着并形成类器官结构的生长因子。培养基中还会广泛使用小分子，用于引导类器官的生长和分化。

使用类器官筛选新化合物

新药研发是类器官可能发挥特殊用途的一个领域。研究发现，源自患者 iPSCs 的类器官可以复现疾病特征，可有效用于新疗法的临床前筛选，从细胞水平证实有效性。然而，Pellegrini 等人近期发表一篇论文，针对类器官在药物筛选中的使用提供了不同观点。

脉络丛 (ChP) 由一层上皮细胞组成，围绕毛细血管和结缔组织，负责产生脑脊液 (CSF)。它还会在血液和 CSF 之间形成屏障，防止血液循环中的毒性物质进入大脑。ChP 位于大脑深处，因此很难研究其结构及功能。

Pellegrini 及其团队借鉴使用人 iPSCs 生成大脑类器官的方案，向成熟培养液添加了 BMP-4 和 CHIR 99021，制作了 ChP 类器官。获得的类器官富集于立方上皮中，发育出充满无色液体的腔室，与脉络丛具有相似的结构和功能。对于无色液体进行分析，显示其与 CSF 颇为相似。从结构上，ChP 类器官有 ChP 的所有特征：紧密连接、原纤毛、广泛的微绒毛、多泡体以及细胞外囊泡。

类器官有潜力预测正在研发的新疗法能否渗透中枢神经系统 (CNS)，从而判定化合物能否用于治疗神经系统疾病或其可能的毒性。在体内研究中，脉络丛显示对 L-DOPA 和多巴胺的渗透性不同。ChP 类器官对这些化合物也显示出不同的渗透性：前者可以进入类器官，但后者无法进入，支持此 3D 系统可用于模拟药物对 CNS 渗透性的观点。

2016 年在法国对 BIA 10-2474 开展一项临床试验，这是一种脂肪酸酰胺水解酶抑制剂，有潜力治疗多种神经系统疾病。有五名临床试验参加者出现了严重的急性神经毒性，一名参加者死亡。该化合物在动物身上没有表现出神经毒性，但源自人 iPSCs 的 ChP 类器官显示 BIA 10-2474 的毒性累积，表明可使用该系统对新疗法进行毒性检测。

类器官和癌症治疗

肿瘤类器官使用患者癌症活检组织生成，可用于多种不同的癌症类型，例如乳腺癌、前列腺癌、结肠癌和子宫内膜癌。近期 Maenhoudt 等人报告，使用高度分化浆液性卵巢癌 (HGSOC) 患者的组织，生成了卵巢癌 (OC) 类器官；他们借鉴了 Boretto等人（2019 年）提出的方法，促进类器官生成和生长。

这些源自活检组织的肿瘤类器官表现出与原始肿瘤相同的表型和疾病。它们可作为实用模型来研究 OC 的发展，也可用于筛选新疗法是否对此类型癌症有效。此外，它们还有一个潜在用途——个性化用药。源自不同患者的 OC 类器官对不同的常规化疗药物（例如紫杉醇、卡铂、吉西他滨和阿霉素）表现出不同的敏感性。因此，可将其应用于临床实践，帮助临床医生选择对各个患者最为有效的治疗。