小小类器官，大大的梦想：拯救动物、组织替身、器官移植……

Original Bio-Techne RnDSystems 2023-01-18

在自然界，许多动物拥有着令人惊叹的再生能力，比如「超级选手」海星、蝾螈、斑马鱼（心脏可再生）、扁虫（头部可再生）……科学家们一直希望将这些神奇应用于生命科学，解决器官移植、药物开发等问题。

干细胞是组织再生的「源泉」，在此基础之上诞生的「类器官」（organoids）给予了更多的可能。这些在体外培养的微小结构，可以模拟人体器官的复杂结构，还可以重塑体内肿瘤组织的关键特性，有着代替动物试验、实现器官移植的巨大潜力。

图片来源：16sucai

助力精准医学的「秘密武器」

自 2000 年代末，生物学家们就开启了类器官的摸索历程，他们在实验室利用细胞培育、分化、自组装成各种类似人体组织的 3D 结构，制造出肝脏、胰脏、胃、心脏、肾脏甚至乳腺等在内的各种类器官。

建立疾病模型

虽然距离真正的器官（缺乏血管、免疫等重要结构）还很远，但是类器官可以模拟人类发育早期的器官形成过程，研究基因突变和传染病等对正常器官功能的影响。

2009 年，类器官领域的领军人物、荷兰皇家科学院院士 Hans Clevers 教授曾带领团队利用肠道内的母细胞培育出 3D 铅笔尖大小的类肠道，用于药物筛选，这一方法比临床试验更便捷、成本也低，自此开启了类器官疾病研究的浪潮。

2015 年，Hans Clevers 团队再一次发表了开创性研究：基于癌症患者肿瘤衍生出的三维类器官，构建首个结直肠癌类器官「生物银行」。这项成果将「类器官」与癌症的「精准医疗」关联起来，填补了癌症遗传与临床试验之间的空白。类器官可以复制原发肿瘤的突变信息，适用于高通量的药物筛选，检测与药物敏感性相关的一些遗传改变，为个体化治疗癌症提供了新思路^[1]。

结直肠癌类器官「生物银行」构建图示。图片来源：Cell

药物筛选

通常，动物（例如小鼠）是临床前研究的首选模型，但是构建合适的动物模型需要至少数月的时间。而且很多药物在临床前研究中（包括体外试验和动物试验）取得的疗效并不能在后期的临床试验中得到重现，这是众多药物研发中途夭折的重要原因。

现在，类器官给出了新选择，可以在较短时间内模拟出疾病特征，从而反映临床结果。2018 年 2 月，来自于伦敦癌症研究所的研究团队在《Science》期刊发表了最新成果证实，源于人类肿瘤的类器官可以用于测试癌症药物，从而预测患者对药物的反应。数据显示，如果药物对类器官有效，则 88% 对患者有效；如果药物对类器官无效，则 100% 对患者无效。这对于与时间赛跑的癌症患者而言，无疑是条高效率的捷径^[2]。

图片来源：Pixabay

如何构建类器官？

诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）在类器官构建中发挥着举足轻重的作用。2017 年，美国 Cedars-Sinai 医学中心的 Xiaojiang Cui 团队在 Cell 子刊《Stem Cell Reports》上发表了最新研究，揭示了基于 iPSCs 构建乳腺类器官的简化方法——两步法^[3]。

首先，研究团队采用非神经元的外胚层模式诱导 iPSCs，并利用特定培养基对其进行乳腺分化。具体而言，他们利用悬浮球培养使得 iPSCs 分化成拟胚体（embryoid bodies，mEBs）。

随后，研究人员将 mEBs 培养于 3D 培养系统，生成类似于乳腺的类器官。这一培育过程需要用到基质胶、乳腺发育相关的激素及生长因子等化合物。

二步法构建乳腺类器官的过程^[3]

基于二步法获得的乳腺类器官，经验证成功表达有乳腺标志物（例如 lactalbumin／LALBA、EpCAM、CK14 和 P63）。这意味着，在特定条件下由 iPSCs 分化、培育而来的类器官具备乳腺的关键特征。虽然尚且不能完美复制乳房的复杂形态，但是明确了 iPSCs 来源的乳腺类器官的所需元素，从而为乳腺疾病的建模和治疗提供了良好材料。

3D 培养的「后盾」

3D 培养例离不开基质胶 BME（Basement Membrane Extract）。BME 是一种由小鼠细胞的胞外蛋白质组成的胶，为类器官提供营养，可广泛应用于包括支持细胞生长和分化、细胞粘附、血管新生、体外细胞迁移／侵袭、体内成瘤等在内的多个领域。

R&D Systems^® 所提供的基质胶 Cultrex^® BME 产品线是类器官 3D 培养的「利器」，拥有 4 大优势^[4]：

1）批次间的一致性。这是 R&D Systems^® 所有产品线一贯坚持的标准。Cultrex^® BME 是一种来源于 EHS 小鼠肉瘤的天然基质胶，经严苛的制造工艺锤炼，可以模拟体内细胞基底膜的结构、组成，具有类似的物理特性和功能。

相比于其他产品，考马斯亮蓝法定量法显示 Cultrex^® BME 培养基中蛋白成分较为一致。

2）应用的多样性。Cultrex^® BME 产品种类多样，适用于干细胞培养、类器官培养以及其它 3D 培养等，例如通用型 Cultrex^® Original BME，广泛应用于 2D／3D 培养、细胞粘附、细胞侵袭实验；Cultrex^® BME3 则适用于异种移植或肿瘤移植，包括人源肿瘤异种移植模型（PDX）。

3）深受类器官研究领袖认可。Cultrex^® 培养基蛋白的性能和质量已经受到干细胞、癌症研究领域大牛的密切关注，例如 Hans Clevers 教授团队曾利用 Cultrex^® BME 2 培育出肠道类器官；华盛顿大学医学中心 Hynda K Kleinman 教授团队基于 Cultrex^® BME 促进肿瘤细胞或者活检组织的快速生长，并保留有原发性肿瘤表型^[5]。

从诱导性多功能干细胞（iPSCs）培育出的肾脏类器官（图片来源：Minoru Takasato）

4）权威第三方认证。 R&D Systems^® 的 Cultrex^® BME 产品被维基百科收录，《Nature Protocols》杂志更是将其列为标准化实验方案：

Fridman R1, et al. Increased initiation and growth of tumor cell lines,cancer stem cells and biopsy material in mice using basement membrane matrixprotein (Cultrex or Matrigel) co-injection. Nat Protoc. 2012 May17;7(6):1138-44.

近年来，Cultrex^® BME 产品登顶各大知名期刊，代表性引用文献如下：

向上滑动阅读

1. Lipid-mediatedWnt protein stabilization enables serum-free culture of human organ stem cells. NatureCommunications, 2017.

2. InducedQuiescence of Lgr5+ Stem Cells in Intestinal Organoids Enables Differentiationof Hormone-Producing Enteroendocrine Cells. CellStem Cell, 2017.

3. Culture and establishmentof self-renewing human and mouse adult liver and pancreas 3D organoids andtheir genetic manipulation. Nature Protocols, 2016

4.‘Normalizing’the malignant phenotype of luminal breast cancer cells viaalpha(v)beta(3)-integrin. Cell Death & Disease,2016.

5. Long-termculture of genome-stable bipotent stem cells from adult human liver. Cell,2015.

6. Plasticitybetween Epithelial and Mesenchymal States Unlinks EMT from Metastasis-EnhancingStem Cell Capacity. Cell Reports,2016.

7. Theantitumorigenic function of EGFR in metastatic breast cancer is regulated byexpression of Mig6. Neoplasia, 2015.

8. Prospectivederivation of a living organoid biobank of colorectal cancer patients. Cell,2015.

9. Sustained invitro intestinal epithelial culture within a Wnt-dependent stem cell niche. NatureMedicine, 2009.

类器官技术在个性化医疗领域有着巨大的前景，未来，它或许可以与细胞 2D 培养和动物模型系统实现互补，改变医学研究、疾病治疗的传统范式。我们拭目以待！