Cell Research | 邓宏魁/徐君/李程合作建立具备再生能力的新型类器官培养方法

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类器官技术能够在体外模拟体内器官组织的三维结构和生理功能，已被广泛应用于疾病模型建立、药物筛选、功能组织诱导等多种研究中，显示出广泛的应用前景【1】。类器官技术在2013年被Science杂志评选为十大科学进展，成为过去十年再生医学领域最重要的生物技术之一。传统的类器官技术存在明显的缺陷：模拟了体内稳态环境下干细胞及其分化细胞的相互作用，无法呈现损伤再生条件下的器官组织变化。然而在体内损伤诱导的再生过程中，会出现损伤态干细胞来主导组织损伤修复的过程【2】。如何在体外建立能够捕获损伤态干细胞的类器官培养方法，是类器官研究及应用面临的重要挑战。

2021年1月8日，北京大学邓宏魁研究组和合作者在Cell Research上发表了题为“Establishment of intestinal organoid cultures modeling injury-associated epithelial regeneration”的研究论文，在体外建立了具有损伤再生特征的新型小肠类器官；基于新型小肠类器官，研究者开发了一个表观化学小分子的组合，能够在小鼠模型中促进肠道上皮组织的损伤修复。这项工作为研究上皮组织器官再生提供了新型的体外模型，同时也揭示了表观遗传调控在器官再生中的重要性。

为了解决这一问题，邓宏魁研究组以类器官研究中普遍使用的小肠类器官为筛选模型，开展了大规模的化学小分子和细胞因子的筛选，发现一个由8个化学成分组成的培养条件（简称8C）。新的培养条件能够在小肠类器官培养过程中启动损伤再生基因的表达，生长出更加复杂的出芽结构。这些特征与肠道损伤再生过程出现的“增生态”（Hyperplastic）隐窝非常相似（隐窝位于绒毛基部，是由干细胞及其后代组成的增殖区域），因此8C条件下诱导的小肠类器官被命名为“增生态”小肠类器官，简称Hyper类器官（Hyper-organoid）。与传统类器官相比，Hyper类器官的扩增能力得到了极大增强：连续培养5代之后，小肠干细胞数量相比传统类器官提升了10000倍。此外，Hyper类器官能够长期传代扩增并保持基因组的稳定性。

传统ENR条件和8C条件诱导的小肠类器官形态（上图）及再生基因表达（下图）

为了进一步研究Hyper类器官是否能够模拟器官损伤再生的过程，作者通过单细胞转录组测序对Hyper类器官中的细胞群体进行解构，发现Hyper类器官中显著富集了Lgr5+肠道干细胞群和Clu+复活样干细胞（revival-like stem cells）群，这些干细胞群体与体内发现的肠道损伤态干细胞具有相似的分子特征和属性。通过谱系追踪和单细胞重建类器官实验，作者进一步证实Hyper类器官中的Lgr5+细胞具有肠道干细胞的功能。进一步分析发现两个表观遗传小分子VPA和EPZ6438在8C条件中发挥着关键作用，调控了Hyper类器官中损伤再生相关的分子和表型特征的诱导及维持，特别是对于损伤态干细胞的诱导具有决定性作用。机制研究分析进一步阐明VPA和EPZ6438主要通过调控YAP通路下游基因的激活发挥作用，这一作用很可能是通过降低小肠类器官YAP下游靶基因的H3K27me3甲基化水平来实现的。

Hyper类器官的干细胞群（左图）和正确路径细胞（右图）富集YAP靶基因表达

在Hyper类器官研究的基础上，作者进一步测试了VPA和EPZ6438的联合处理能否促进体内小肠组织在损伤条件下的再生修复。他们发现这个组合在辐照诱导的小肠损伤小鼠模型中能够有效增强再生反应，显著上调辐照小肠隐窝的YAP下游靶基因，并且这些基因的H3K27me3水平有明显的下调。除了小肠体系，VPA和EPZ6438的联合处理也能减轻急性结肠炎动物模型的疾病症状。因此，VPA和EPZ6438联合处理能够有效促进体内肠道组织损伤再生。

VPA和EPZ6438介导的表观重编程促进小肠类器官和小鼠肠道隐窝获得再生特征

该研究在体外建立了具有损伤再生特征的新型类器官模型，该模型克服了类器官技术在体外无法模拟损伤再生条件下器官组织变化的缺陷，能够捕获并维持器官再生中的损伤干细胞群，同时具备在体外高效扩增和长期维持的能力，为未来利用类器官技术在研究器官再生、建立疾病损伤模型和药物筛选等方面提供了更加广阔的应用前景。
邓宏魁研究组长期致力于化学小分子调控细胞命运的研究和应用，在近年来取得了一系列突破：利用化学重编程实现了体细胞重编程以及谱系重编程【3, 4】，证明了化学调控的手段可以实现功能细胞在体外的长期维持和提升干细胞的发育潜能【5, 6】。该项研究进一步显示了化学调控手段在调控类器官功能方面的优越性，这一方法为在其他组织器官类型中建立具有再生特性的类器官培养方法提供了新的途径。
北京大学邓宏魁教授、北京大学干细胞研究中心徐君研究员、及北京大学李程研究员为该论文的共同通讯作者，屈默龙博士、熊亮博士、博士研究生吕钰麟为该论文的共同第一作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41422-020-00453-x

排版人：SY

参考文献

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