【专题推荐】类器官与器官芯片

2024-03-20

细胞疗法医药出海

深度聚焦类器官与3D培养论坛，OTC2024论坛合作详询：王晨 180 1628 8769文章来源：天津医药专题主编陈怀永，天津大学海河医院研究员，博士生导师，天津市肺脏再生医学重点实验室主任，中国科学院生物物理研究所博士毕业，美国杜克大学博士后。现利用类器官、疾病动物模型、临床样本和干细胞治疗手段探讨肺脏干细胞功能改变与支气管哮喘、肺纤维化和呼吸道感染发生发展的关系。主持参与国家/省部级科研项目19项，发表论文70余篇，其中SCI收录50余篇，国家授权发明专利2项，天津市科技进步二等奖2项。学术兼职：天津市医学会呼吸病学分会常委中华医学会结核病学分会基础学组委员天津市救援医学学会呼吸急救分会委员天津市医学会结核病学分会委员天津医学会罕见病分会委员《天津医药》编委编者按类器官与器官芯片作为近年来兴起的一种新型强大研究手段，在实现干细胞体外增殖与分化、模拟器官内细胞间互作方式、重现来源脏器形态学特征与功能、优化精准药物筛选方案和建立罕见病个体化治疗等方面发挥重要作用，已引起国内外研究人员、临床工作者和药物研发公司的广泛关注。目前已应用于包括肺、脑、肠在内的多种脏器的病理生理学研究与转化医学研究。未来结合工程学、基因编辑等手段进行类器官与器官芯片个性化、大规模、均质化、标准化和自动化的完善与优化将给个体化医学带来深远影响。我受《天津医药》编辑部邀约，特组织国内类器官与器官芯片研究领域的知名专家共同就肺、脑和肠这 3种研究进展最快的类器官与器官芯片的构建及其在炎症反应、病毒感染、抗肿瘤药物筛选和罕见病等方面的应用进行阐述，并对目前关于该技术待解决的关键问题进行深入讨论。本专题旨在加深各学科基础研究、临床和药物研发同道对类器官与器官芯片的认识，共同推动该技术的深入应用，为疾病机制研究、临床诊断与目标药物发现提效增速。由于篇幅限制，本专题未涉及包括肝、肾、胃和胰腺等其他脏器的类器官与器官芯片的研究进展，但是这方面的研究同样值得关注。最后，本人对参与和支持本专题工作的全体作者和编审专家所付出的辛勤工作表示由衷感谢！01高通量自动化类器官芯片研究进展孟繁露，韩益明，修继冬，黄建永作者单位：北京大学工学院摘要：类器官是利用干细胞的自更新和自组织能力在体外构建的三维多细胞培养物，其复现了对应器官或组织的关键结构和功能特征，为发育生物学、再生医学、疾病建模和药物开发等领域提供了理想的体外模型和研究平台。然而，传统的类器官培养体系依赖于手动操作，培养流程较为繁琐，且培养物个体差异和批次差异较大，成为限制类器官转化和应用的重要原因之一。因此，工程化类器官培养体系通过引入微流控芯片技术来提升类器官培养体系的通量和自动化程度，对于实现类器官大规模、均质化、标准化培养具有重要意义。该文综述了高通量自动化类器官芯片的研究进展，并探讨了类器官培养通量和标准化的主要限制性因素和潜在挑战。02气道类器官显微注射及极性反转模型的构建宋立成1，张宇涵2，余忠阔1，解立新1作者单位：1中国人民解放军总医院第八医学中心呼吸与危重症医学部；2上海交通大学医学院附属瑞金医院呼吸与危重症医学科摘要：目的　探索通过显微注射及极性反转的方式建立高效模拟呼吸道病毒感染的新方法。方法获取8周龄雄性C57BL/6小鼠肺组织，提取呼吸道上皮细胞，建立类器官transwell培养模型。通过改进传统显微注射平台，将绿色荧光蛋白（GFP）标记的流感病毒 PR8（GFP-PR8）定量注射入类器官内，观察类器官形态变化及紧密连接蛋白、微管蛋白的免疫荧光染色特点。通过悬浮培养的方法诱导极性内向反转为极性外向（AO），通过HE染色鉴定极性反转的形态学特点。对普通类器官及反转后类器官进行 PR8攻毒，观察感染效率及不同浓度的病毒感染下主要通路基因的表达差异。结果普通类器官经显微注射后体积会明显增大。注射 PR8后，类器官顶端区域被感染的效率明显增高且会出现明显的损伤，表现为紧密连接蛋白及微管蛋白的蛋白表达显著下调。将类器官悬浮培养后，纤毛细胞极性随时间逐渐反转向外，于第6天起反转比例趋于稳定。反转后的类器官被病毒感染的效率显著提高，细胞损伤显著。0.01感染复数（MOI）的PR8攻毒后，AO类器官出现明显的炎症通路及分化相关基因的改变；在更高浓度PR8感染后则出现与之前相反的变化趋势。结论　极性反转和显微注射可以显著提高流感病毒对类器官的感染效率，这有助于类器官在呼吸道感染领域的广泛应用。03气道类器官研究哮喘中 Lkb1调控上皮再生的机制徐桂颖1, 李玉2,3, 李雪2,3, 刘怡萌1, 陈怀永1,2,3作者单位：1天津医科大学海河临床学院；2天津大学海河医院；3天津市呼吸疾病研究所摘要：目的通过气道类器官培养研究哮喘中肝激酶B1（Lkb1）调控上皮再生的机制。方法取Lkb1f/f（对照组，10只）和Scgb1a1CreER;Lkb1f/f小鼠（Lkb1敲除组，9只），采用雾化吸入鸡卵清蛋白（OVA）的方法建立过敏性哮喘模型，收集支气管肺泡灌洗液（BALF）和肺组织，统计BALF中炎性细胞数量，肺组织切片免疫荧光染色比较钙激活氯离子通道蛋白3（CLCA3）阳性细胞数量。通过流式细胞术分选出Club细胞进行类器官培养，统计类器官的平均直径和类器官形成率，回收细胞通过实时荧光定量PCR（RT-PCR）技术检测高脚杯细胞标志物CLCA3、纤毛细胞标志物叉头框蛋白J1（FOXJ1）和Club细胞中腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）的表达水平。结果与对照组相比，Lkb1敲除组BALF中巨噬细胞、嗜酸性粒细胞、中性粒细胞和淋巴细胞数量变化差异无统计学意义；Lkb1敲除后CLCA3阳性细胞数量减少；类器官培养结果显示敲除Lkb1后Club细胞来源的类器官平均直径减小，类器官形成率降低，纤毛细胞分化标志物FOXJ1 mRNA表达水平降低，缺失Lkb1后Club细胞表达AMPKα水平降低，且Club细胞增殖受到抑制，激活Lkb1的下游信号通路AMPK可以减弱Lkb1缺失对Club细胞再生功能的影响。结论　Lkb1通过AMPK通路促进气道祖细胞增殖。04小鼠小肠类器官炎症模型的构建陈浩1,2, 李蕊1, 易菲1, 周丽3, 陈嘉琪4, 朱璠4, 管城艳4, 吴娜4,5作者单位：1江西中医药大学药学院；2江西中医药大学附属医院药学部；3江西中医药大学计算机学院，4临床医学院；5江西中医药大学附属医院消化一科摘要：目的建立体外小肠类器官培养体系，探讨脂多糖（LPS）对小肠类器官生长和炎性因子分泌的影响。方法体外无菌分离并收集C57BL/6小鼠小肠隐窝细胞团，使用类器官基质胶进行包埋，并在完全培养基的支撑下，培养形成具有小肠上皮样结构的立体多叶结构的小肠类器官。小肠类器官培养5~7 d或类器官中央区域变黑时传代，传代后3 d将小肠类器官随机分为不同质量浓度LPS组（0、150、175、200、225、250、275、300 mg/L）。在LPS诱导24 h和48 h后观察小肠类器官生长和形态特征变化；用CCK-8法检测不同时间和质量浓度LPS对小肠类器官诱导炎症后增殖活力的影响；采用酶联免疫吸附试验检测4种不同质量浓度LPS（0、175、200、225 mg/L）在不同时间对类器官培养上清液中粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）、白细胞介素（IL）-1α、IL-6、IL-10水平的影响。结果初步构建了小鼠小肠类器官培养体系。不同时间和质量浓度LPS作用小肠类器官诱导炎症后，通过形态学观察到小肠类器官会有不同程度的膨胀和内腔凋亡现象的发生，受损的肠上皮中隐窝或肠干细胞的增殖分化和出芽数量也受到不同程度的抑制。小肠类器官在175~225 mg/L的LPS诱导24 h和48 h后，其增殖活力呈现不同程度的降低（P<0.05），但细胞活力仍大于50%。200 mg/L和225 mg/L的LPS诱导24 h和48 h后，IL-1α、IL-6和GM-CSF水平部分升高（P<0.05）；200 mg/L的LPS诱导24 h和48 h后，IL-10水平降低（P<0.05）。结论本研究初步构建了不同质量浓度和时间的LPS诱导小肠类器官体外肠道炎症损伤模型，为今后肠道疾病的机制研究和有效药物的筛选提供了更为可靠的研究平台。05微乳头型肺腺癌类器官的构建及其靶向药物的筛选姜忠敏1,2, 张春艳2,3,4, 刘敏1,2, 郑洁1,2, 李艳霞2,4, 仁青措4,5, 孟纬4,6, 刘晓智2,4作者单位：1天津市第五中心医院病理科；2天津市早产儿器官发育表观遗传重点实验室；3天津市第五中心医院普通外科；4青海黄南藏族自治州人民医院高原特色医学研究所，5传染科，6骨科摘要：目的建立微乳头型肺腺癌类器官的培养方法，并开展靶向药物的筛选。方法自确诊为微乳头型肺腺癌患者手术组织样本中提取和培养原代肺癌类器官，动态观察和记录肺癌类器官生长情况；苏木精-伊红（HE）染色法及免疫组化染色法比较肺癌类器官与亲本组织间肿瘤细胞形态及蛋白表达特征；实时荧光定量聚核酶链反应检测肺癌亲本组织和类器官中基因突变情况；基于基因检测结果挑选靶向药物并验证其体外抑瘤效果。结果成功从微乳头型肺腺癌组织中培养出类球形肿瘤类器官，可传代至少3代。HE染色结果可见类器官中肿瘤细胞形态与亲本组织细胞基本一致；免疫组化染色结果显示肺癌类器官与亲本组织中各基因的蛋白表达水平大致相同；基因突变分析结果显示，肺癌亲本组织和类器官的突变基因结果一致，均体现为原癌基因酪氨酸蛋白激酶受体Ret（RET）融合突变。基于肺癌类器官的靶向药物筛选结果显示，凡德他尼的体外抑瘤效果最佳。结论基于微乳头型肺腺癌类器官的药筛实验可在短时间内筛选出高效靶向药物，可使微乳头型肺腺癌患者从中获益。06类器官在癌症基础研究和临床转化中的应用司吴雪蓉，蒋明作者单位：浙江大学医学院第四附属医院遗传医学中心；浙江大学国际医学院遗传学研究所；浙江大学医学院和国家临床儿童医学中心消化科；浙江省遗传缺陷与发育障碍研究重点实验室摘要：类器官是成体干细胞或多能干细胞体外三维培养形成具有特定结构的组织类似物，与对应的器官具有高度相似的组织特性和生理功能。肿瘤类器官能够很好地保留癌症患者体内肿瘤的组织学和突变特征，在构建肿瘤类器官样本库、重建肿瘤微环境、研究肿瘤的发生发展机制以及制定个性化治疗方案和药物筛选等方面发挥了重要的作用，但目前仍存在着一些因素限制了肿瘤类器官的进一步发展。综述类器官技术在肿瘤基础研究和临床转化中的应用及面临的挑战，并对未来肿瘤类器官的发展方向予以展望。07类器官在儿童遗传性疾病中的应用研究进展雷敏1,2,3, 蔡春泉1,3,4作者单位：1天津市儿童医院/天津大学儿童医院；2天津大学医学院；3天津市儿科研究所；4天津市儿童缺陷防治重点实验室摘要：类器官是高度保留其来源组织器官特性的体外3D组织培养物，在生物医学领域得到了广泛的应用。类器官可以作为研究疾病的体外模型，有助于进一步了解疾病的病理生理和分子机制，为遗传性疾病的个性化治疗提供了技术支撑。该文将围绕类器官技术在儿童遗传性疾病中的应用，着重介绍其在模拟疾病模型、矫正遗传缺陷、个性化治疗方面的优势及潜在的发展前景，以期为后续研究提供参考。08脑类器官技术及在脑卒中治疗中的应用进展孙可心1, 肖雨倩1, 万俊1, 陈淑颖1, 陈丽敏1, 王岩2, 白艳杰2作者单位：1河南中医药大学；2河南中医药大学第一附属医院摘要：脑类器官是一种由胚胎干细胞（ESCs）或诱导多能干细胞（iPSCs）诱导产生的三维神经培养物，能够模拟人脑的结构和功能。随着脑类器官培养技术的不断优化，并与器官移植、基因编辑和类器官芯片等新兴技术相结合，产生了功能性血管结构和神经回路等复杂脑组织结构，为研究人类大脑发育和疾病提供了新方法、新思路。就脑类器官技术的最新进展进行综述，阐述了其在神经系统疾病中的应用，以及在脑卒中建模和移植治疗中的进展。END深度聚焦类器官与3D培养论坛，OTC2024论坛合作详询：王晨 180 1628 8769