2022年3月类器官研究领域新进展

2022年3月份类器官相关发表了很多重磅级的研究成果，本文中，小编就对本月科学家们在该领域取得的重磅级研究成果进行整理，分享给大家！

【1】再现神经管形态发生的人体脊髓类器官的产生

DOI:10.1038/s41551-022-00868-4

由人类多能干细胞诱导的人类脊髓样组织通常不够成熟，不能模仿神经生成的形态学特征。在这里，研究者报道了一个三维培养系统和程序的人脊髓样器官(hSCOs)的生产概括了早期脊髓的神经样管状形态发生。hSCOs表现出神经样管状形态发生，细胞分化为脊髓主要类型的神经元和胶质细胞，成熟的突触功能活动，以及脊髓发育的其他特征。研究者用hsco来筛选能导致神经管缺陷的抗癫痫药物。hSCOs还可以促进对人类脊髓发育的研究和与神经管缺陷有关的疾病的建模。

【2】从脱细胞肝组织中提取的水凝胶支持胆管细胞类器官的生长和分化

DOI: 10.1016/j.biomaterials.2022.121473

人胆管细胞类器官在再生医学上有很好的应用前景，例如修复受损的胆管。然而，类器官通常是在小鼠肿瘤来源的基底膜提取物(BME)中培养的，这是一个定义不明确、高度可变的问题，限制了类器官在患者中的直接临床应用。细胞外基质(ECM)来源的水凝胶制备的脱细胞人或猪的肝脏是有吸引力的替代培养基质。这里，在肝脏ECM(LECM)衍生水凝胶中培养和扩张的人胆管细胞类器官被描述。这些水凝胶支持胆管细胞类器官的增殖，并维持胆管细胞样表型。LECM水凝胶的使用不会显著改变所选基因或蛋白质的表达，如胆管细胞标记物细胞角蛋白-7，而且在人或猪的LECM水凝胶之间没有发现物种特异性效应。在LECM水凝胶中培养的类器官增殖率较低，但胆管细胞类器官向肝细胞类细胞的分化能力不会因组织特异性ECM组分的存在而改变。此外，人类LECM提取物支持在动态培养中ICO的扩展，而不需要费力地在水凝胶中静态培养类器官。肝脏ECM水凝胶可以成功替代肿瘤来源的BME，并有可能释放人类胆管细胞类器官的全部临床潜力。

【3】正交诱导分化干细胞的程序模式的血管化的类器官和生物打印组织

DOI: 10.1038/s41551-022-00856-8

具有可编程细胞复杂性、结构和功能的类器官和组织的产生将受益于人类诱导多能干细胞(hiPSCs)同时分化成不同类型的细胞。然而，特定转录因子过表达的分化方案通常产生一种单细胞类型。在这里，研究者发现，通过强制过度表达转录因子，将hiPSCs共分化为不同的细胞类型，而不依赖于培养基组成，可以产生具有可控组成和组织的模式类器官和生物打印组织。具体来说，研究者使用这种正交诱导分化的方法，在包含神经或内皮干细胞指定介质的一锅系统中，从hiPSCs中生成内皮细胞和神经元，并通过将诱导转录因子和野生型hiPSCs聚集成随机汇集或多核壳胚状体，在几天内产生脉管化和图案化的皮质类器官。此外，通过利用没有细胞外基质的hiPSC油墨的多材料生物打印，研究者生成了由神经干细胞、内皮细胞和神经元组成的分层区域的模式神经组织。干细胞的正交诱导分化可能有助于制造用于生物医学应用的工程组织。

用于模拟血管化类器官和生物打印组织的干细胞的OID

图片来源: https://www.nature.com/articles/s41551-022-00856-8

【4】肾脏脱细胞细胞外基质促进人体肾脏类器官的血管化和成熟

DOI: 10.1038/s41551-022-00856-8

来自人类多能干细胞(hPSCs)的肾脏类器官在疾病建模和再生医学方面具有广泛的潜力。然而，肾类器官的血管化和不成熟仍然是一个需要克服的问题。细胞外基质(Extracellular matrix, ECM)可以为细胞的生长和分化提供机械支持和生化微环境。本文报道了一种利用肾脏脱细胞细胞外基质(dECM)水凝胶培养hpsc来源的肾类器官的体外方法，这种肾类器官具有广泛的血管网络和自身的内皮细胞。单细胞转录组学显示，使用肾dECM培养的血管化肾类器官比不使用肾dECM培养的肾类器官具有更成熟的肾小球发育模式，与人类肾脏的相似性更高。用肾dECM培养法将CRISPR/Cas9诱导的α-半乳糖苷酶A (GLA)敲除的hPSCs分化为肾类器官可有效再现Fabry肾病合并血管病变。带肾dECM的肾类器官移植到小鼠肾脏中，与无肾dECM的小鼠相比，加速了宿主小鼠肾脏内皮细胞的募集，并以更有组织的缝状膈膜结构保持血管的完整性。用于诱导肾脏类器官广泛血管化和成熟的肾dECM方法可以应用于肾脏发育、疾病建模和再生医学的研究。

【5】从人类多能干细胞中产生具有毛发的皮肤类器官并对其进行表征

DOI: 10.1038/s41596-022-00681-y

人体皮肤由分布在体表的数百万根毛发和腺体组成，起到外部屏障、温度调节器和刺激传感器的作用。大规模生产带有这些附属物的人类皮肤将是有益的，但具有挑战性。在这里，研究者描述了一个详细的协议，以产生毛发皮肤组织完全来自同质群体的人类多能干细胞在三维体外培养系统。在确定的培养条件下，用2周的时间诱导多能干细胞向表面外胚层和颅神经嵴细胞分化，在每个类器官单位分别形成表皮和真皮。孵育60天后，皮肤类器官产生毛囊。到第130天，皮肤类器官达到充分复杂，包括分层的皮肤层、色素化的毛囊、皮脂腺、默克尔细胞和感觉神经元，再现了妊娠第18周胎儿皮肤组织的细胞组成和结构。使用该方法，皮肤类器官可在培养中维持150 d，使类器官可用于研究基础皮肤生物学、模型疾病以及进一步的皮肤组织重建或再生。

【6】应用ipsc衍生的类器官模型治疗局限性硬皮病

DOI: 10.1002/advs.202106075

局限性硬皮病(LoS)是一种罕见的慢性疾病，具有广泛的组织纤维化、炎症浸润、微血管改变和表皮附件病变。然而，目前对LoS的发病机制和治疗策略的了解还很有限。在本工作中，建立了LoS皮肤的蛋白质组图，并对LoS皮肤的病理特征进行了表征。最重要的是，在3D培养系统中建立了用于LoS治疗的人诱导多能干细胞衍生的上皮和间充质(EM)类器官模型。结果表明，EM类脏器应用于硬皮病皮肤可明显减轻皮肤纤维化程度。特别是，EM类器官增强LoS皮肤中表皮干细胞的活性，促进汗腺和血管的再生。这些结果突出了类器官在促进硬皮病相关表型和皮肤相关功能恢复方面的潜在应用,为LoS引起的毁容和皮肤功能缺损的患者提供了一种新的治疗选择。

体内和体外皮肤器官形成的比较示意图

图片来源: https://www.nature.com/articles/s41596-022-00681-y.pdf

【7】通过肠道干细胞分化的类器官模型筛选肠道上皮细胞组成的调节因子。

DOI: 10.1038/s41551-022-00863-9

屏障上皮的细胞组成对机体内平衡至关重要。特别是在小肠内，成体干细胞建立了组织细胞结构，并可能提供一种手段来控制特化上皮细胞的丰度和质量。然而，对于调节上皮细胞组成和功能的生物靶点的鉴定方法，以及调节它们的小分子，是缺乏的。在这项研究中，研究人员利用数千个肠干细胞分化为Paneth细胞的小型类器官模型进行多表型筛选，并通过纵向单细胞rna测序进行验证，发现肠干细胞分化的药物性生物靶标和小分子调控因子可以被识别。研究人员发现，核出口抑制剂exporttin 1可以独立于已知的分化线索，调节肠道干细胞的命运，显著增加了类器官和野生型小鼠中Paneth细胞的丰度。肠干细胞分化的生理类器官模型可以在筛选生物靶标和调节其他屏障上皮成分和功能的小分子方面得到更广泛的应用。

【8】可溶性ECM促进肺泡模型中器官型的形成

DOI：10.1016/j.biomaterials.2022.121464

微模式悬浮培养可产生大小一致、形状一致的细胞聚集物，但无法从稳定的细胞中产生器官型结构，因此限制了其在精确疾病建模中的应用。在这里，研究者发现，通过补充可溶性细胞外基质(ECM)，在杂交悬浮培养中实现了有机型结构。在悬浮培养中，研究者从上皮细胞、内皮细胞和成纤维细胞中创建了一个活的肺类器官。研究者证明了可溶性ECM在器官型模式中的重要性，出现了腔状结构，腔内显示出可行的气体交换单元，分支的形成，可灌注的血管系统，以及腔内结构的长期70天维持。研究结果表明，增强的纤维连接蛋白纤维装配与体外基质在类器官中的结合之间存在依赖关系。研究者成功地将这项技术应用于通过博莱霉素诱导的肺纤维化模型，并在体外测试一种潜在的抗纤维化药物，同时维持肺组织中基本的细胞-细胞相互作用。人荧光肺类器官(hFLO)模型代表了经法舒地尔治疗后改善的肺纤维化的特征。研究者还展示了一种有潜力从成熟细胞中创造类器官的3D培养方法，从而为疾病建模和再生医学打开了途径，增强了对健康和肺病中的肺细胞生物学的理解。

【9】仿生水凝胶支持患者源性乳腺肿瘤器官的起始和生长

DOI: 10.1038/s41467-022-28788-6

患者来源的肿瘤类器官(PDOs)是一种非常有前途的临床前模型，可以概括供体患者肿瘤的组织学、基因表达和药物反应。目前，PDO培养依赖于基膜提取物(BME)，而BME存在批次间的差异、异种化合物和残留生长因子的存在以及对机械性能控制不良等问题。此外，为了从病人来源的异种移植中开发新的类器官系，小鼠宿主细胞的污染造成了一个问题。研究者提出了一种用于乳腺癌PDOs起始和生长的纳米纤维水凝胶(EKGel)。在EKGel中生长的PDOs具有与亲代肿瘤和BME中PDOs相似的组织病理学特征、基因表达和药物反应。此外，EKGel提供了减少批次间的变异，一系列的机械性能，并抑制来自小鼠细胞的污染。这些结果表明，EKGel是乳腺癌PDOs起始、生长和维持的一种改进的替代BME基质。

【10】人类视网膜和视网膜类器官非编码遗传疾病的细胞特异性顺式调节元件和机制

DOI: 10.1016/j.devcel.2022.02.018

顺式调节元件(CREs)在所有人类细胞类型的发育和疾病状态中发挥关键作用。在视网膜上，CREs与几种遗传性疾病有关。为了更好地描述人类视网膜CREs的特征，研究者对发育和成人视网膜以及诱导多能干细胞(iPSC)来源的视网膜类器官进行了转座酶可达染色质测序(snATAC-seq)和单核RNA测序(snRNA-seq)的单核实验。这些分析鉴定了发育动态的、细胞类特异性的CREs、丰富的转录因子结合基序和假定的靶基因。视网膜中的CREs和类器官在单细胞水平上高度相关，这支持使用类器官作为研究疾病相关的CREs的模型。作为概念证明，研究者在5q14.3处阻断了疾病相关的CRE，证实其主要靶基因为miR-9-2的主要转录本，并证明了其在成熟胶质细胞神经发生和基因调控中的作用。本研究为描述人类视网膜cre的特征提供了资源，并展示了类器官作为研究cre影响发育和疾病的功能的模型。

生物谷2022年终盘点正在进行！更多精彩盘点！敬请期待！