【优博微展2022】赵浩然：类器官在3D建模、组织再生与药物评价中的应用

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类器官在3D建模、组织再生与药物评价中的应用

Organoid: 3D Modeling & Applications for Tissues Regeneration and Drug Screening

作    者：赵浩然          

指导教师：马少华

学    科：生物医学工程

读博感言：比做研究更重要的是做一个人。如果可以，做一个有温度、有底线的好人，会更好。

研究背景/选题意义/研究价值

在二维(2D)与三维(3D)的培养环境中，即使使用同一种细胞，其表型和基因型会出现明显的差异。2D 单层细胞培养方法不能完全反映原始组织的生理学，因为它们不保留组织特异性结构和机械/生化信号。相比之下，基于多细胞3D培养方法可以通过复现细胞极性和形状、组织刚度和细胞-细胞或细胞-细胞外基质相互作用来克服这些限制。我们称这种在体外培养得到的与组织器官高度相似的3D结构为类器官。然而传统非工程类器官建模培养方法存在着通量低、建模时间长、重复性不高等问题。所以在这里，我们基于微组织工程提出了一种基于微流控系统对组织、器官进行3D建模的新方法。由于这一建模方法可还原肿瘤异质性并保证定制化药物测试的时效性，该方法或可在未来成为辅助肿瘤等多种疾病诊断治疗的重要手段之一。

主要研究内容

该研究采用具有高通量、单分散特点的微流控-微滴作为生物制造的结构模板，发明无死体积的级联微管微流控（Cascade tubing microfluidics, CTM）技术，提出对特定组织或器官体外3D建模及类器官构建的新方法。

首先，本文制备了一种能够显著缩短成胶时间，有利于微流控体系快速打印的新材料，该材料利用长链DNA与胶原蛋白的物理互锁基质，能够将传统细胞基质成胶时间从20-30分钟缩短至40秒左右。

此外，这种新材料可以承载生长因子 (如Vascular endothelial growth factor, VEGF），通过促进细胞自组织，显著缩短建模时间。其次，我们通过CTM技术构建了肿瘤类器官打印平台，该技术可高通量地将数百个类器官微球均匀地打印至孔板内，将类器官培养时间从2~6周缩短至7天，且还原肿瘤的异质性。该方法制备的类器官能够还原~97%以上的原代组织的基因表达，药物筛选准确率可达81%以上，根据药敏测试反馈临床用药结果，病人可从该体系中明显获益。

主要创新点

1. 设计了一种新型超软细胞外支架材料，不改变天然胶原蛋白的力学性质提高交联速度~50倍，可支持细胞生长，促进血管及其他组织器官的快速修复、再生;

2. 为癌症患者的肿瘤组织快速高通量类器官建模提供了新的解决方案，并实现“一周的个性化药物筛选”;在筛选患者敏感抗癌药物(包括化疗药物及化疗药物联合使用、热化疗和靶向药物等)方面具有较高的准确率(81%);该技术已应用于临床试验(为癌症患者推荐药物)，并取得了良好的治疗效果；

3. 以肿瘤类器官为体外模型，验证了肿瘤/癌旁静电电位差是肿瘤扩散的重要标志之一。

代表性创新成果

1. Zhao H , Wang Z , Jiang S , Ma S*, et al. Microfluidics Synthesis of Injectable Angiogenic Microgels [J]. Cell Reports Physical Science, 2020, 100047.

2. Cao Y# , Zhao H# , Hu Z , Ma S*, et al. Cascade Pumping Overcomes Hydraulic Resistance and Moderates Shear Conditions for Slow Gelatin Fiber Shaping in Narrow Tubes – ScienceDirect [J]. iScience, 2020, 23, 101228.

3. Pang X#, Zhao H#, Ma S*. A microfluidics reaction system for a multi- component reaction with automation and high chemoselectivity [J]. Advanced Intelligent Systems, 2020, 2, 1900191.

4. Jiang S#, Zhao H#, Zhang W#, Ma S*, et al. An Automated Organoid Platform with Inter-organoid Homogeneity and Inter-patient Heterogeneity [J]. Cell Reports Medicine, 2020, 1(9): 100161.

5. Ma S*, Zhao H, Galan E A, et al. Modulating Flow Topology in Microdroplets to Control Reaction Kinetics[J]. 2021, 4, 200309.

6. Ma S*, Zhao H, Galan E A. Integrating Engineering, Automation, and Intelligence to Catalyze the Biomedical Translation of Organoids. Advanced Biosystems (Advanced Biology), 2021, DOI: 10.1002/adbi.202100535.

7. Galan E A , Zhao H , X Wang, Ma S*, et al. Intelligent Microfluidics: The Convergence of Machine Learning and Microfluidics in Materials Science and Biomedicine[J]. Matter, 2020, 3(6):1893-1922.

8. Zeng L#, Liao Q#, Zhao H , et al. Raltitrexed as a synergistic hyperthermia chemotherapy drug screened in patient-derived colorectal cancer organoids [J]. Cancer Biology and Medicine, 2021, 18.

9. Fan J#, Feng Y#, Wang Z, Zhao H, Ma S*, Multiplex gene quantification as digital cancer markers for extremely rapid evaluation of chemodrug sensitivity [J]. Patterns, 2021, DOI: 10.2139/ssrn.3858067.

10. Hu Z#, Cao Y#, Galan E A#, Hao L, Zhao H, Xu B, Ma S*, Dimethyloxallyl glycine protects blood vessels and enhances chemotherapy drug efficacy on a vascularized tumouroid-on-a-chip model [J]. ACS Biomaterials Science & Engineering, 2022, 8, 3, 1215–1225.

11. Pang X, Zhao H, Ma S*, et al. Membrane reactors accelerate polymer photosensitizer-based singlet oxygen reactions[J]. Chemical Engineering Journal 2022, 433 , 134444.

12. Zhao H#, Tang X#, Zhang W#, Ma S*, et al. Elecrostatic potential difference of tumor and paratumor is prognostic of tumor spread [J]. under review.

13. Cao Y#, Zhao H#, Tan J#, Deng T#, Ma S*, et al. "Bead-Jet" printing of high-density mesenchymal stem cell-laden Matrigel beads augments skeletal muscle and hair follicle regeneration [J]. under review.

14. Zhao H#, Cheng Y#, Li J#, Ma S*, et al. Droplet-engineered organoids recapitulate parental tissue transcriptome 3 with inter-organoid homogeneity and inter-tumor cell heterogeneity [J]. Fundamental Research, 2022, accepted.

15. Wang Z, Zhao H, Ma S*, et al. Organoid surpasses cell-laden microgel assembly to promote spinal cord injury repair [J].under review.

何为优博微展？

优博微展是清华大学应届优秀博士毕业生论文精华的呈现，由清华大学研究生院联合各院系收集并发布，旨在对我校博士研究生的阶段性学术成果和在校时期科研成绩进行简要、集中展示。

作者、图片：赵浩然

组稿、校阅：楚若冰

统筹：研究生院培养办

编辑与设计：研究生院综合办