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Cell Systems:科学家成功利用合成生物学和机器学习算法来加速人类肝脏类器官的开发

来源:本站原创 2020-12-14 10:24

2020年12月14日 讯 /生物谷BIOON/ --近日,一项刊登在国际杂志Cell Systems上的研究报告中,来自匹兹堡大学等机构的科学家们通过研究将合成生物学与机器学习算法相结合,利用血液和胆汁处理系统创建出了人体肝脏类器官,当植入到肝脏衰竭的小鼠体内后,实验室培养的替代肝脏就能有效延长小鼠的寿命。基于本文研究结果,未来研究人员或许有望在牺牲精度或控制的情况下诱发并加速实验室培养的器官的成熟。

医学博士Mo Ebrahimkhani指出,怀孕长达漫长的10个月,出生后机体的新生器官需要较长时间甚至数月才能够成熟,但如果一个人需要肝脏的话,或许等不了那么长时间;本文研究结果表明,我们能够在17天时间内得到具有四种主要细胞类型和血管的人类肝脏组织,同时只需要三个月时间就能让其发育成熟到妊娠晚期阶段的状态。

图片来源: Velazquez et al.(2020), Cell Systems.

如今其他研究人员尝试使用生长因子在培养皿中诱导类器官的成熟,但这代价较高,而且会得到不一致的结果,且很容易发生人为错误;研究者表示,通常情况下会有不需要的组织或细胞类型出现,比如肠道细胞或脑细胞会生长在固体肝脏组织的中间。而遗传工程技术就比较干净,但其协调发挥作用起来较为复杂,于是研究人员就通过联合研究使用一种机器学习系统来逆向工程化人类肝脏成熟所必需的基因。

随后研究者利用包括CRISPR在内的遗传工程化技术来讲大量成熟的肝脏组织(来自人类干细胞)转化成为“预先设定的肝脏类器官”。获得的类器官越成熟,就会有越多的毛细血管和未发育的胆管细胞穿过薄薄的组织薄片,而这种微小器官的功能就越接近于其全尺寸的自然人体模型,能量储存、脂肪积累、化学物质转运、酶的活性以及蛋白质的产生都更接近于成年人提肝脏的功能(尽管其仍然不能完全匹配)。

这项研究中,研究人员想象的类器官应拥有三种主要用途,即药物发现、疾病建模和器官移植;由于干细胞来源于患者机体,而实验室培养的器官能够进行个体化处理,所以并不会有免疫排斥的威胁出现。当移植到肝脏受损的小鼠机体中时,这种新型肝脏类器官就能政工整合到动物机体中,并能持续发挥作用,即产生出现在动物血液中的蛋白质并延长动物的寿命。

最后研究者Ebrahimkhani说道,这或许是一项原则性的证明,表明该技术或许有可能未来会被更加广泛地使用。我们所参考的是自然设计的人类肝脏,但你可以选择任何你喜欢的设计方式,比如,可以通过遗传开关来保护组织免受病毒损伤,并以病毒的DNA为靶点来摧毁它,这或许就会使得这种新方法变得与众不同。(生物谷Bioon.com)

原始出处:

Jeremy J.Velazquez,RyanLe Graw,Farzaneh Moghadam, et al. Gene Regulatory Network Analysis and Engineering Directs Development and Vascularization of Multilineage Human Liver Organoids, Cell Systems (2020) doi:10.1016/j.cels.2020.11.002

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