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类器官拥有无限可能!是疾病治疗和药物研发的新窗口

来源:生物探索 2022-12-02 09:25

类器官是体外产生的器官的微型化、简化版本,在三个维度上显示逼真的微解剖结构。它们来源于组织中的一个或几个细胞、胚胎干细胞或诱导多能干细胞,由于其自我更新和分化能力,它们可以在三维培养中自我组织。

类器官是体外产生的器官的微型化、简化版本,在三个维度上显示逼真的微解剖结构。它们来源于组织中的一个或几个细胞、胚胎干细胞或诱导多能干细胞,由于其自我更新和分化能力,它们可以在三维培养中自我组织。自2010年代初以来,培养类器官的技术得到了迅速改进,并被The Scientist评为 2013 年最大的科学进步之一。类器官被科学家用来在实验室研究疾病和治疗,培养“类器官”正在成为现实。

类器官从干细胞中生长出来,这些细胞可以无限分裂并产生不同类型的细胞作为其后代的一部分。研究人员已经研究出如何为干细胞创造合适的环境,以便干细胞就可以按照自己的遗传指令进行自我组织,形成类似于由多种细胞类型组成的微型器官的微小结构。

人体体内有多少种不同的组织和器官,就有多少种类器官。迄今为止,研究人员已经能够研究发现类似于大脑、肾脏、肺、肠、胃和肝脏的类器官,还有更多正在开发中。这种培养组织的方式将为人类提供更多关于人类发育和疾病的新见解,并让他们有机会了解药物如何与这些“微型器官”相互作用,这为药物研发领域和个性化医疗提供了新方法。

 

类器官帮助人类模拟疾病

就人脑而言,类器官这项技术打开了一扇窗,当研究人员试图研究复杂的、本质上的人类特征或疾病时,这一点变得尤为重要。“我们这个时代一些最突出的神经发育疾病,如精神分裂症或自闭症谱系障碍,是影响整个人类基因组的独特人类疾病,”HSCI研究员 Paola Arlotta博士解释说。Arlotta的实验室开发了使类器官能够长时间生长的方案,从而实现更高的复杂性和成熟度。这些类器官包含数千个细胞和多种脑细胞类型,它们以复杂的方式相互作用,使它们成为研究神经精神病学或神经发育病理学如何影响脑细胞相互交流方式的绝佳模型。

图1 相关研究(图源:[1])

研究人员已经能够使用来自自闭症患者的类器官来显示参与细胞增殖的基因调控异常,使用类器官观察寨卡病毒在早期胚胎发育过程中与小头畸形之间的关系,通过驱动神经元生成细胞的分化来阻碍正常的大脑发育。大脑类器官还将深入了解大脑在早期发育过程中是如何形成的,这是一个多世纪以来一直困扰着科学家的问题。

 

类器官可以研究干细胞
疾病和个性化医疗

干细胞由于其分裂和再生组织的无限能力而作为治疗工具具有很大的前景,许多疾病由干细胞本身或其他细胞与它们交流的方式异常引起的。研究人员Kim和她的团队是第一批培育模拟肺部两个不同部分的肺类器官的科学家:气道和发生气体交换的肺泡囊。他们通过使用一种特殊的培养装置来做到这一点,该装置允许细胞与空气和液体接触,模仿肺部环境。他们的培养物还包括来自血管的辅助细胞,以刺激干细胞生长。

“在我们看来,许多肺部疾病就像干细胞的失败,它们无法修复损伤,”Kim说。“很长一段时间以来,人们认为肺气肿等疾病可能是由干细胞缺陷引起的,但一直无法检验这一想法。现在可以从患病细胞中制造类器官并进行实验,以确定干细胞或与它们对话的辅助细胞是否是肺部疾病的原因。如果能够了解在干细胞水平上出了什么问题,可能会有一种全新的细胞类型可以成为药物的靶点。”

类器官也可用于直接筛选可能促成特定细胞类型形成的药物。这有助于找到治疗囊性纤维化等疾病的方法,在这种疾病中,通常从肺部清除粘液的纤毛细胞无法正常工作。Kim表示:“我们能够用来自患者的纤毛细胞制造类器官,然后测试它们是否有可能使这些纤毛细胞更好地工作的药物,我们可以用源自患者血液的iPSC( induced pluripotent stem cells)制造类器官,甚至无需进行活组织检查就可以试用这些患者特异性肺细胞。类器官的可能性是无限的,这是肺部研究中一个激动人心的时刻。”

 

图2 相关研究(图源:[2])

由于诱导多能干细胞可以作为干细胞的初始来源,类器官可以来源于患者的血液或皮肤细胞。此外,可以使用 CRISPR/Cas9 等基因组编辑工具对干细胞进行修饰。因此,可以研究自然突变和引入突变对类器官发育和功能的影响。“个性化医疗”方法也可以通过从同一患者身上产生许多类器官并从中筛选出最有效的药物来实现。该技术将有助于弥合动物模型和人体临床试验之间的转化差距,从而允许进行更有针对性的临床研究,以降低成本并提高成功率。另一个重要的好处是有可能限制神经生物学研究所需的动物数量。最后,来自其他哺乳动物物种的大脑类器官的发育可以揭示神经发生的进化方面。 

 

类器官可作为疾病治疗工具

哈佛大学研究团队正试图找到转化和移植细胞组织的方法,以治疗某些疾病。HSCI科学家David Breault 医学博士与另一位 HSCI 研究员 Qiao Zhou 博士在肠细胞转化为产生胰岛素的 β 细胞方面取得了突破性进展。糖尿病是一种与胰岛素有关的代谢性疾病,胰岛素是一种由胰腺产生的激素,可以让细胞从血液中吸收葡萄糖。

Breault 和 Zhou 开发了一种将肠上皮细胞转化为产生胰岛素的 β 细胞的方法,并在肠类器官上测试了他们的方法。这种转变是可能的,因为这些细胞在发育过程中来自同一区域并具有许多特征。研究证明,可以将载有这些经过修饰的胰岛素生成细胞的基质植入糖尿病小鼠体内,从而成功地调节血糖水平。

Breault 更进一步暗示了从患者来源的iPS 细胞中产生类器官的可能性,这些细胞可以转化为产生胰岛素的 β 样细胞。Breault表示:“能够制造出可以在一两步内转化为 β 细胞的患者特异性祖细胞可能代表着糖尿病治疗的重大进步。”

 

类器官为药物研发提供窗口

一些科学家只需要彼此相似的特定细胞类型。一个例子是在药物发现过程中,需要在细胞上测试大量物质以了解它们的工作原理。迄今为止,为了进行此类测试,制药业一直依赖与正常或患病组织几乎没有相似之处的动物模型和人体细胞。根据HSCI执行委员会成员 Lee Rubin 博士的说法,这可能是临床试验高失败率背后的原因之一,增加了药物研发的高成本,每种新药从研发到上市平均需要20亿美元。

使用人体细胞而不是动物模型可以使药物发现和开发过程更快、更有效。Rubin 实验室正在研究大脑球体中密集分布的神经元球,这些神经元球持续产生一种或几种类型的细胞。这种方法产生的细胞更多,质量更好。就像一种大规模生产、规模经济的细胞培养方法。除了从胚胎细胞发育而来,球状体也可以从患者自身的细胞中提取并存入患者特异性细胞的生物库中。将此类生物库与临床和基因组数据相结合,可以为每位患者设计和测试个性化治疗计划。

从每个患者身上产生无限量的组织供应对于罕见疾病的研究和治疗也极为有用,在这些疾病中,进行研究和测试治疗的患者数量是有限的。以类器官作为方法,可以使研究人员能够进行更大规模的研究,加速通常研究不足的疾病进展。

 

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