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Engineering Stem Cell Organoids浙江大学医学院附属第二医院骨科沈炜亮
发表状况:
Cell Stem Cell. 2016 Jan 7
研究团队:
Jeffrey M. Karp (jeffkarp.bwh@gmail.com)
Oren Levy (levyorn@gmail.com)
Harvard Medical School, Cambridge, MA 02115, USA(哈佛医学院)
编辑有话说:
本文综述了类器官的特性,并对现有的干细胞类器官模型做了举例详细介绍,最后指出了类器官的未来发展方向,对类器官研究方面具有指导意义。综述背景及概述:
当前生物学和生物医学的研究是基于模拟系统进行的。在追求准确反映人体生理和兼顾可行性的角度,细胞水平和器官水平的模型间存在较大的空白,而类器官作为利用干细胞自组装性质产生多种多细胞组织的稳定可培养系统填补了这一空白。
类器官系统利用干细胞的自组织特性创建不同的多细胞组织。大多数类器官模型只代表单个或局部组织的一个组成部分,往往很难控制细胞类型、组织、细胞间及细胞与细胞外基质间的交互作用。综述讨论了产生类器官的各种方法,其各自的优点和局限性,以及如何通过生物工程策略引导类器官内细胞成分和他们的3d组织结构从而进一步加强研究和治疗的效用。
综述主要内容:
1、类器官的构建方法
类器官是利用干细胞自组装性质产生多种多细胞组织的系统。将干细胞种植在基底膜基质上并加入适合的外源因子,细胞将被诱导形成有组织的多种细胞聚集的结构。简单来说,人类发育是一个从受精卵开始受到精确调控的逐步增殖分化细胞随后进行自组装的过程。相似的,这一过程可以在体外通过诱导干细胞的分化实现。当不加特定诱导时,干细胞自组装形成畸胎瘤结构并可能自主分化为骨、神经、毛发或上皮组织。通过外加因素诱导分化多能干细胞可以使其通过自组装形成视杯、脑、小肠、肝、肾的组织类器官,而诱导成体干细胞可以形成小肠、胃、肝、胰腺和前列腺的组织类器官。通过生物工程的手段不仅可以诱导定向分化,还可以调控自组装从而形成更复杂的类器官。
2、类器官构建模型举例(此处仅列举一例)
脑在体内的发育过程是胚胎干细胞先分化为神经外胚层,进而分化产生各个脑区。现行产生脑组织类器官的策略有两种。一是通过不同的细胞因子,如Wnt、BMP、Shh等诱导多能干细胞分化为不同的神经细胞亚型,如皮质椎体神经元、间脑多巴胺神经元和脊髓动力神经元等,通过胚状体悬浮培养技术还可以进一步诱导形成复杂的架构如大脑皮层和垂体。二是将诱导形成的神经外胚层组织种植在3D结构的基底膜上,而不添加外源的诱导因子,转移后的组织可以在两个月内长到4mm直径,产生明显的腹侧端脑、背侧皮层、脉络膜、海马和视网膜,而且这些脑区间具有相互依存关系。生物工程手段诸如时空控制分化、控制信号支架、微流控或纳米粒子缓释形成的信号梯度可以进一步诱导类器官中脑区的分化。但营养和氧气传输限制了脑类器官的功能和发展,预期通过与成血管系统共培养或微流体灌注系统解决这一问题。
3、类器官的未来发展方向:生物工程手段改进基于类器官的治疗方法
一是将基因编辑技术与类器官结合,从而将控制细胞命运的方法从外源因子扩展到内源基因表达。通过基因编辑,自组装过程也将变得可以调控,而不仅局限于诱导分化。基因编辑类器官可以用于治疗单基因遗传病,如囊肿性纤维化。通过基因编辑技术将突变基因纠正后的类器官移植回患者体内,帮助患者器官的修复和功能重建。同时,通过基因编辑类器官的移植可以研究一些基因及相关通路在体内的病理生理过程。
二是基因电路技术,即程序性设计类器官,将合成生物学手段应用于人体细胞,从而便捷的调控干细胞环境和他们产生的信号。随着类器官规模的扩大,使类器官产生自分泌的通路是解决内部无法感受外加信号的重要手段。通过增加基因逻辑门可以调节细胞对特定环境的感知(如移植后环境),并据此作出预设好的反应。对细胞添加存储设置可以减轻细胞生境过于复杂无法模拟的问题。基因组整合电路通过正反馈循环达到稳态并通过激活或抑制输入信号实现电路的门控。目前DNA催化重组酶已经在大肠杆菌中实现了对细胞环境的记录,即使细菌死亡,仍然可以通过DNA测序获取所需信息。对细胞生境的进一步了解可以推动类器官规模的扩大和进入临床应用。
结论:
通过类器官平台的构建促进了体外器官形成和疾病模型的发展,进而为新疗法的出现提供了可能。除了作为新的生物模型和研究组织再生的工具,类器官还可以用作更多预测性药物筛选平台和精准医学治疗。然而在诸如标准化和精确控制细胞组分等方面,类器官系统还存在着诸多挑战,限制了其向临床推广应用。
英文摘要:
Organoid systems leverage the self-organizing properties of stem cells to create diverse multi-cellular tissue proxies. Most organoid models only represent single or partial components of a tissue, and it is often difficult to control the cell type, organization, and cell-cell/cell-matrix interactions within these systems. Herein, we discuss basic approaches to generate stem cell-based organoids, their advantages and limitations, and how bioengineering strategies can be used to steer the cell composition and their 3D organization within organoids to further enhance their utility in research and therapies.
二次整理者: 阮登峰/沈炜亮
浙江大学医学院附属第二医院·骨科;
浙江大学骨科研究所;
浙江大学李达三·叶耀珍再生医学发展基金;
浙江省组织工程与再生医学技术重点实验室;
中国医师协会骨科医师分会再生医学工作组;
本人专业诊治范围:
1,肌腱病&肌腱/韧带损伤:肘-网球肘;肩-肩周炎,肩袖损伤;膝-弹跳膝,跑步者膝,前交叉韧带损伤;踝-跟腱炎,跟腱断裂;手腕部-腱鞘炎;筋膜炎
2,再生医学技术治疗运动系统疑难杂症,包括:软骨/半月板/肌腱/韧带的修复、重建和再生;
门诊类型:肌腱病专科门诊!关节外科/运动医学专家门诊;
致谢:感谢浙江省组织工程与再生医学技术重点实验室 马远瞩的分享!
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