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类器官培养——选多能干细胞 or 成体干细胞?

 

 

前面我们已经探讨过类器官及其构建过程,但是对于类器官小白来说,第一步就被难住了,构建类器官从哪儿开始呢?当然是从“来源”入手啦!构建类器官选择成体干细胞 (ASCs) 还是多能干细胞 (PSCs),小 M 与您聊一聊~

 

 

多能干细胞 or 成体干细胞?
 
 

类器官在器官发育、疾病建模、药物开发和器官再生的研究中具有巨大的潜力。来自不同组织的类器官已经从成体干细胞 (ASCs) 和多能干细胞 (PSCs) 中建立,它们可以在培养中无限增殖,具有分化和重组的能力,以模仿它们的源器官。


由于不同的细胞类型起源于不同的发育阶段和遵循不同的路径,因此,在研究类器官形成机制时,起始细胞群的选择尤为重要。

 

图 1. ASCs 和 PSCs 衍生的类器官培养方案[1]

A: 源于 ASCs 的类器官:原发组织活检或切除组织制备成单细胞悬液,然后立即嵌入细胞外基质 (ECM) 中,随着组织的生长而变化,添加并定期改变培养基中的多种生长因子,直到类器官扩大 (Expanded)。B: 源于 PSCs 衍生的类器官:PSCs 的 2D 干细胞培养物 (球状体) 被嵌入细胞外基质,在 3D 培养基根据最终需要的组织类型的特定分化信号进行培养。

 

类器官内细胞的组成和组织是由正在生长的组织的特性决定的,这反过来又影响了类器官的整体大小和形状。

 

PSCs 衍生的类器官
 

PSCs 来源的类器官对于不易获得组织样本的器官,例如大脑的建模和模拟器官发生的发育过程是极富有前景的平台。一些类型的类器官仅能由 PSCs 构建,包括神经外胚层类器官,如视神经杯和大脑类器官,以及中胚层肾脏类器官。

 

内胚层衍生的上皮类器官,如胃肠道和呼吸类器官,也可以由 PSCs 构建。PSCs 可以分化成内胚层祖细胞,然后嵌入富含 ECM 蛋白的基质中,它们在适当的刺激下成熟,形成类似于天然器官的结构。与其 ASCs 衍生的类似物相比,它们还包含间充质层,通常较大,但一旦建立,就不能通过简单的传代“再繁衍”


从 ESCs/iPSCs 产生的类器官有 (神经外胚层) 视神经杯、大脑、 腺垂体、小脑;(内胚层) 胃、小肠、肝脏、肺、甲状腺;(中段中胚层) 肾。

 

图 2. 由 PSCs 生长的各种类器官和发育信号[2]

 

在体外,PSCs 衍生的类器官很难达到成体组织阶段,通常类似于胎儿期组织,其原因有两种可能:一是类器官发育需要长时间的条件限制培养,而实际培养能力有限;二是由于体外完全重现胚胎发育过程的能力有限,PSCs 衍生类器官细胞丢失与共发育细胞之间的关键相互作用。

 

ASCs 衍生的类器官
 

ASCs 衍生的类器官是通过直接解离感兴趣的组织 (包含内在的 ASC),并在组织特异性生长因子条件下长时间培养来构建的。首个类器官的建立,就是通过 Lgr5构建的小肠类器官 (见: 肠道类器官培养基,固定搭配还是 DIY?)。对于 ASCs 衍生的类器官,Wnt 信号通路激活是其建立的关键。这些类器官来源于从单细胞分选或解剖组织碎片中获得的 Lgr5干细胞,它们在含有 Wnt 激活剂 (如 R-spondin1,在某些情况下还含有 Wnt3a) 的器官特异性培养基中生长。

 

ASCs 衍生类器官方案比 ESCs/iPSCs 衍生类器官更简单,与 PSCs 衍生的类器官相比,从 ASCs 生成成熟类器官的过程仅需几天。表面外胚层谱系的类器官 (特别是腺体组织) 主要来自于 ASCs 或分离的成体组织。可以从人类 ASCs 培养出的类器官包括结肠、小肠、肝脏、前列腺、胰腺、输卵管、胃、舌和子宫内膜。

 

基于 ASCs 的类器官用于模拟各种疾病,通常利用来自单基因疾病患者的细胞建立。除了单基因疾病建模外,基于 ASCs 的类器官也已应用于癌症建模。在药物筛选方面,除了基本的药物筛选外,患者来源的类器官也适合在个性化治疗中进行筛选。

 

多能干细胞 vs 成体干细胞
 

源于 ASCs 的类器官模拟体干细胞的动态维持,而源于 ESCs/iPSCs 的类器官则概括了相应器官的发育。虽然两者都保留了原始细胞的遗传信息,源于 ASCs 的类器官倾向于直接复制原始的组织表型。相比之下,可能基于 ESCs/iPSCs 的多能性潜力,来自 ESCs/iPSCs 的类器官似乎能形成更复杂结构。然而实际上,ASCs 构建类器官的 Protocol 比 ESCs/iPSCs 的更简单,因为 ASCs 已经致力于组织特异性分化。

 

图 3. 源于 ESCs/iPSCs 和 ASCs 的类器官的优点和局限性比较[3]

 

尽管 PSCs 和 ASCs 衍生的类器官都可以在培养物中长期生长,但它们有明显的差异,体现在它们所代表的发育阶段,所包含的细胞类型以及复杂性上

 

从 PSCs 衍生的类器官比从 ASCs 衍生的类器官稍微复杂一些: 胃肠道类器官就是一个明显的例子,源自 ASCs 的类器官仅包含器官特异性上皮细胞和干细胞,而源自 PSCs 的类器官则包含上皮细胞和间充质细胞,包括成纤维细胞和平滑肌,因为 PSCs 能够分化成任何细胞类型。

图 4. 已经建立的不同器官和组织的类器官培养[5]

今天,小 M 的介绍就到这里了,关于类器官培养,小伙伴还想知道什么呢?留言区见~

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参考文献

 

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