深度聚焦类器官应用与3D细胞培养论坛,OTC2024论坛合作详询:王晨 180 1628 8769文章来源:中维鑫创01细胞因子及小分子在类器官培养中的应用类器官(Organoids)又称微小器官(Mini-Organ),是在体外经过 3D(三维)培养而成,它包含一种以上与来源器官相同的细胞类型,细胞组织方式与来源器官相似而拥有真实器官的复杂结构,并能部分模拟来源器官或组织所特有的生理功能。作为一种组织模型,类器官在发育学、内环境稳态和再生医学、肿瘤分子研究、疾病建模、新药研发、药物筛选及毒理测试、个体化医疗等领域均展现出巨大的应用潜力。2009 年,荷兰科学家 Hans Clevers 团队成功地将人类成体干细胞在体外培养形成具有增殖隐窝和高分化绒毛的小肠结构,证实 LGR5+的小肠干细胞能够形成类器官,开创了类器官研究的时代。2013 年,类器官技术被 Science 杂志评为年度十大科学突破,并登上封面;2017 年,类器官荣膺 Nature Methods 杂志最受瞩目,影响力最大的生命科学年度技术;2019 年 6 月,类器官技术再次登上 Science 杂志封面,并获得顶级杂志特刊隆重推荐的重磅待遇;目前,已开发出可长期培养的小肠、结肠、胃、胰腺、肝脏、肾脏、肺、脑、视网膜、乳腺、味蕾、输卵管、前列腺等多种人和小鼠的正常组织和肿瘤的类器官。利用目前对肿瘤细胞和肿瘤微环境相互作用机制的认识,从肿瘤病人样本构建患者特异性的肿瘤类器官,用于新药筛选和药物敏感性研究是可行的。类器官可以来源于 ASCs (分离成体细胞或从组织碎片获取)、PSCs 或 ESCs。某些类器官仅来源于 PSCs,如神经外胚层类器官(如视杯或脑类器官)以及中胚层肾脏类器官等;而外胚层类器官(尤其是腺组织)主要来源于 ASCs 或成人组织;大多数内胚层的类器官来源于 PSCs 和 ASCs。近来,终末分化的细胞被重新加工成为类似 ASC 的组织特异性细胞,用来进行上皮性乳腺和胰腺类器官的培养。Organoids — Preclinical Models of Human DiseaseLi M, Izpisua Belmonte JC. N Engl J Med. 2019 May 16;380(20):1982.类器官的培养体系包括两个部分:基质胶和培养基。基质胶是一种富含层黏连蛋白及胶原蛋白的基质蛋白胶,其成分与许多组织的细胞外基质相似,为类器官的体外培养提供三维基质支持;培养基中需要添加干细胞增殖与分化相关的多种细胞因子和小分子,它们在类器官的体外培养过程中也扮演着至关重要的角色。02类器官培养中常用的细胞因子R-Spondin-1:R-Spondin-1(Rspo-1)属于 Wnt 调节物的 Rspo 家族。目前发现,该家族包括 4 个结构上相关的分泌型配体,即 Rspo1-4,它们均含有 Furin 样凝血酶致敏蛋白结构域。Rspo-1 表达在发育中的中枢神经系统的某些区域,在肾上腺、卵巢、睾丸、甲状腺和气管中也有发现。Rspo 可与 Frizzled/LRP6 受体复合物相互作用,从而激活 Wnt/beta-catenin 信号传导途径。Noggin:Noggin 是可扩散蛋白家族的成员,其可结合 TGF-β家族的配体分子,并通过抑制后者与相应信号传导受体的接近而调节配体分子的活性。TGF-β配体与其天然拮抗剂的相互作用在发育进程中具有重要的生物学意义,体现在细胞的应答会因局部信号分子浓度改变而出现显著差别。Noggin 最初认为是 BMP-4(该蛋白在头部和其他背部结构正确成型中起关键作用)的信号抑制剂,后来的研究显示,Noggin 也调节其他 BMPs(骨形态发生蛋白),如 BMP-2,-7,-13 和-14 的活性。在小鼠中敲除 Noggin 基因会导致产前死亡和一种退化表型,即严重的骨骼系统畸形的出现。相反,在成熟的成骨细胞中过表达 Noggin,转基因小鼠则会出现成骨细胞分化受损、骨形成减少和严重的骨质疏松等症状。EGF (表皮生长因子):EGF 是一种强效生长因子,可刺激多种表皮和上皮细胞的增殖。此外,EGF 还可抑制胃酸分泌,并参与创伤修复过程。EGF 通过与 C-erbB 受体 (属 I 型酪氨酸激酶受体)相结合而传导信号,该受体也可与 TGF-β和 VGF(牛痘病毒生长因子)结合。FGF-10 (成纤维细胞生长因子-10):FGF-10 是 FGF 家族的一个成员,是一种肝素结合的生长因子。该家族成员可以促进细胞的增殖和分化,在各种组织的产前发育、产后生长和再生中发挥至关重要的作用。FGF-10 通过 FGFR2b 受体传导信号,与家族成员 KGF/FGF-7 最相关,在发育过程中和成人肺中优先表达。HGF (肝细胞生长因子):HGF 是一种间充质来源的成熟肝实质细胞的强效的丝裂原,可以促进多种组织和细胞类型的生长和存活。HGF 通过酪氨酸激酶受体 MET 来转导信号。HGF 可以发挥诱导细胞增殖、迁移、形态发生、抑制细胞生长、增强神经元存活等多种功能。HGF 是肝脏再生过程中关键的丝裂原,尤其在肝脏部分切除或其他肝脏损伤后发挥作用。人和小鼠的 HGF 具有交叉反应活性。肝脏类器官培养中需要添加 HGF。03类器官培养中常用的小分子Gastrin I:胃泌素是胃肠道的一种非常重要的多肽类激素,它主要由 G 细胞分泌,肠道及肝脏类器官培养时,需要添加胃泌素来延长类器官的存活时间。A83-01:Activin/NODAL/TGF-beta 通路抑制剂,抑制 ALK5,ALK4 和 ALK7。Y27632:是 Rho 相关丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶(ROCK)家族的小分子特异性抑制剂,可以阻止干细胞的凋亡。SB202190:是一种有效的 p38 MAPK 抑制剂,靶向作用于 p38α/β。Nicotinamide:PARP-1 抑制剂。Forskolin:Forskolin 可以激活腺苷环化酶,增加细胞内 cAMP 的水平。它具有血管舒张和低血压的特性,可用于诱导干细胞的神经元分化。据报道,它与其他小分子结合在一起,也被用于诱导胚胎成纤维细胞重编程为诱导多能性干细胞。PGE-2:前列腺素 E2,PGE-2 具有多种多样的功能,其作用的多样性和特异性依细胞表达的具有不同功能的 PGE-2 受体亚型 EP 的激活。PGE-2 是一种重要的骨吸收刺激因子,能促进破骨细胞的形成,可增强破骨细胞前体的融合。地塞米松:地塞米松是一种合成的具有抗炎和免疫抑制作用的类固醇类小分子。它对糖皮质激素受体的亲和力比天然可的松配体更强。据报道,地塞米松能够抑制成熟的树突状细胞分化,并能促进人间充质干细胞的分化。参考文献[1] Foley KE. 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