CNS的座上宾——类器官研究
类型：技术文章 时间：2023-01-06
细数一下，近年来，类器官研究“斩获颇多”：2013年，类器官被《Science》杂志评为年度十大技术；2015年，类器官技术被《MIT科技评论》评为十大科技突破之一；2018年初，类器官被《Nature Methods》评为2017年度方法；2019年，类器官模型被《The New England Journal of Medicine》评述为优良的临床前疾病模型……可以说，类器官研究已成为CNS期刊的座上宾，被各大权威期刊争相报道。而2021年类器官被列入中国“十四五”重点研发计划专项，其重要性得到国内聚焦[1]。随着类器官培养系统和实验技术的不断发展，类器官培养已用于各种组织和器官，包括肠道（小肠/结肠）、胃、肝脏、心脏、肺、前列腺、胰腺、肾脏、乳腺、脑类、视网膜以及内耳等（图1）。
图1：类器官发展简史[2]
类器官
类器官是在体外经过3D培养，能够在模拟正常（或疾病）状态下，体内器官（或组织）的三维结构和生理功能。通俗点讲，类器官是三维细胞培养物，将干细胞培养于基质胶中，在化学小分子抑制剂/激活剂、细胞因子、培养基添加剂等物质作用下，经过培养得到的相应器官类似的组织结构[2]。
图2：人结肠腺癌细胞的类器官培养[3]
应用于类器官培养的添加物
类器官的生长主要依赖于多种细胞因子的支持及基质胶提供的三维环境。这些细胞因子的类别主要包括：
1. 促进细胞生长、分化相关通路的激活剂、抑制剂以及激素；
2. 促进细胞增殖的细胞因子；
3. 提高类器官培养成功率所添加的细胞因子等。
2009年，科学家通过在基础培养基中添加wnt通路激动剂R-spondin、TGFβ抑制剂Noggin、EGF等，成功培育出具有隐窝和绒毛样的类小肠结构。该培养方案为类器官技术的发展打下了良好的基础。在此基础上，该实验室通过改进配方，进一步添加烟酰胺、ALK抑制剂A 83-01、前列腺素E2(Prostadandin E2, PGE2)和p38抑制剂SB202190等，成功建立了人结直肠肿瘤类器官体系。在此基础上，多个实验室通过增减不同细胞因子，多种组织的类器官的培养体系被相继研发[1]，常用添加物详情见下表1和表2。
表1：应用于类器官培养的生长因子[4]
是骨形成蛋白的抑制剂，可调节细胞分化、增殖和凋亡；
成分
功能
EGF
结合到EGF受体；促进肿瘤细胞增殖促进肿瘤生长；
FGF10
FGF10/FGF受体2IIIb轴对多种器官的发育至关重要，包括胃、肝、乳腺和前列腺；FGF10促进胰腺癌细胞的迁移和侵袭，并可促进乳腺癌的发生；
FGF7
FGF7/FGF 受体2 信号通路促进肿瘤的生长，迁移和侵袭；
HGF
HGF/Met信号通路可以促进多种类型肿瘤的形成、肿瘤血管生成、肿瘤侵袭；
Wnt
Wnt信号的异常激活促进了肿瘤的发生和发展；
Noggin
R-spondin-1
是Lgr5的配体，是干细胞自我更新必须的；能激活Wnt信号通路；能促进肿瘤细胞的生长和转移；
通过促进肿瘤细胞的增殖并抑制其凋亡来促进肿瘤的生长；
通过上调血管内皮生长因子促进胃癌的血管生成；
是类器官长期培养所需的一种营养物质；
Neuregulin 1
是人类EGF受体酪氨酸激酶-3和-4的配体；
表2：应用于类器官培养的小分子化合物[4]
(CSN12226)
(CSN24277)
(CSN11900)
(CSN13896)
(CSN12886)
(CSN19418)
成分
功能
ROCK抑制剂；抑制失巢凋亡；促进肿瘤上皮细胞在体外长期增殖;
TGF-β 通路抑制剂；TGF-β I 型受体 ALK5，ALK4 和 ALK7 的抑制剂，能够抑制 ALK5，ALK4 和 ALK7 诱导的转录;
是一种强效和选择性的ALK5抑制剂;能够抑制 ALK5诱导的转录;
p38 MAPK 抑制剂；抑制癌细胞的增殖和迁移；高浓度的SB202190导致乳腺类器官形成效率降低;
GSK-3α/β
抑制剂；Wnt信号通路的激动剂；
抗氧化剂;
γ-分泌酶的抑制剂，它可以减少Aβ40和Aβ42的表达; 抑制Notch信号通路，广泛用于促进分化，并被用于晚期视网膜类器官的生成[5]；
是选择性和非ATP竞争性的MEK抑制剂；抑制MEK的激活和下游信号传递；
视黄酸是视黄酸受体（RAR）和视黄酸X受体（RXR）的配体；
属于甾体类抗炎药；
对研究者而言，依靠类器官模型可以在体外研究肿瘤发生发展的分子机制，不断发现并验证新的肿瘤靶点，从而为新药开发提供依据，甚至有望在未来通过类器官技术进行药物优化，解决机体的耐药性问题。对患者而言，癌症综合治疗模式将成为大势所趋，每一位患者都将通过自身来源的肿瘤类器官的体外实验，获得个体化治疗方案。随着类器官技术的进一步发展，不仅能够建立罕见疾病的体内外模型，还能实现高通量药物筛选 [6]。
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参考文献：
[1] 张宁, 杨慧, 王鹏. 类器官在癌症研究,药物筛选与精准诊疗中的应用进展[J]. 北京大学学报（医学版）, 2022(005):054.
[2] 何康信,张景语,钱菁菁,李兰娟.人源类器官研究历程及发展趋势[J].科技导报,2022,40(12):13-27.
[3] Sato T, Stange DE, Ferrante M, Vries RG, Van Es JH, Van den Brink S, Van Houdt WJ, Pronk A, Van Gorp J, Siersema PD, Clevers H. Long-term expansion of epithelial organoids from human colon, adenoma, adenocarcinoma, and Barrett's epithelium. Gastroenterology. 2011 Nov;141(5):1762-72.
[4] Xu H, Lyu X, Yi M, Zhao W, Song Y, Wu K. Organoid technology and applications in cancer research. J Hematol Oncol. 2018 Sep 15;11(1):116.
[5] Völkner M, Zschätzsch M, Rostovskaya M, Overall RW, Busskamp V, Anastassiadis K, Karl MO. Retinal Organoids from Pluripotent Stem Cells Efficiently Recapitulate Retinogenesis. Stem Cell Reports. 2016 Apr 12;6(4):525-538.
[6] 谢雨欣,许峰晟,王彤,等. 类器官培养在癌症中的应用及展望[J]. 中国药理学通报,2021,37(9):1197-1201.
