前沿动态：干细胞在类器官领域的研究进展
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类器官是干细胞技术发展的一个重要方向。今天，我们就来盘点一下干细胞在类器官领域的研究进展。
撰文：小明月
来源：
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干细胞，是一类能够自我更新并分化形成多种组织细胞类型的原始细胞。当其他细胞和组织、器官发生受损、炎症或体内稳态发生变化时，干细胞就可能成为血液、骨、皮肤、肌肉等的种子细胞，进一步分化成机体所需要的细胞进行组织修复，或发挥积极的免疫调节作用。
类器官（Organoids）被定义为一种体外培养的能够自我更新和自我组织，并具有来源组织器官功能3D细胞簇。因此，又被成为迷你器官(mini-organs)。作为体外模型系统，类器官可用于研究组织发育、建立疾病模型、筛选药物和检测毒性。
目前，已成功培育出脑、结肠、内耳、小肠、肾脏、肝、肺、胰腺等不同器官的类器官，其培养条件及方法各不相同。
01 皮肤类器官重要突破，培养出完整“”皮肤”
——Nature
脱发问题是现代社会无声的痛。虽然目前还没有找到摆脱脱发的方法，但是科学家们对于脱发的研究从未放弃，甚至愈演愈烈。
2020年6月3日来自美国波士顿儿童医院的，在国际顶刊Nature 上在线发表题为Hair-bearing human skin generated entirely from pluripotent stem cells的文章，报道了使用人多能干细胞，经过140天，成功培养出了带有皮肤附属器（汗腺、皮脂腺、毛囊）及完整的神经回路的皮肤类器官。并将培养出的“人类皮肤”移植到裸鼠身上，然后，移植的皮肤在原本没有任何毛发的裸鼠身上长出了一小撮茂密的“头发”！
这项研究得到 Nature 杂志同步发表的评论的高度评价，其令人激动之处在于：过去对人造皮肤的尝试，都只是制造出一层“皮”，缺乏皮肤附属组织和触觉感受器（神经回路）。这层“皮”既没有毛孔，也长不出毛发，更无法分泌汗液和皮脂，也不能感受到触觉和痛觉。
因此，这是世界上第一次培养出完整“皮肤”，虽然目前技术上还有诸多限制，很多问题尚未解决，但胜在打破了壁垒，迈出了第一步。
[1]Lee, J., Rabbani, C.C., Gao, H. et al. Hair-bearing human skin generated entirely from pluripotent stem cells. Nature(2020).
02 鉴定胰岛成体干细胞，建立胰岛类器官培养体系
——Cell
一直以来，胰岛中是否存在成体干细胞饱受争议。因此，发现并且鉴定胰岛成体干细胞是一个长期难题。在顶尖学术期刊 Cell 上，中国科学院生物化学与细胞生物学研究所曾艺课题组首次发现并鉴定了小鼠胰岛中的成体干细胞，随后建立了胰岛类器官培养和长期扩增的体系。
思路是这样的：通过高通量单细胞转录组测序，从茫茫胰岛细胞中找到一个具有上皮-间质转化特性的Procr细胞；经过验证，这个Procr细胞属于未分化状态的细胞；通过谱系示踪实验，在小鼠体内可分化成胰岛的全部类型细胞；随后成功建立了具有功能的胰岛类器官和长期扩增的体系，并且能够恢复糖尿病小鼠的血糖水平。
小鼠胰岛成体干细胞（左），胰岛类器官培养和扩增体系（右）
这项研究意义重大，首次发现并鉴定出小鼠胰岛中的成体干细胞的身份，证实了成体胰岛存在干细胞，是干细胞基础研究的重大突破。建立了具有功能性胰岛类器官培养和长期扩增的体系，可以源源不断地获得可用于移植的胰岛β细胞。虽然这项工作是基于小鼠的，但为在成人体内找到相应的胰岛干细胞开拓了新的思路。
[2]Long-Term Expansion of Pancreatic Islet Organoids from Resident Procr Progenitors Cell 2020
03 首个“屏蔽”免疫的人胰岛类器官
——Nature
利用干细胞技术，Salk 研究所的科学家们研制出了首个能够屏蔽免疫系统的人胰岛类器官。这些具有胰岛功能的细胞群移植到糖尿病小鼠体内后，能够长期稳定血糖，同时无需使用免疫抑制药物来克服移植产生的免疫排斥现象。2020年8月19日，在线发表在Nature 上，其论文题目为“Immune-evasive human islet-like organoids ameliorate diabetes”的研究结果。
关键部分在于，在模拟的人类胰腺的环境中利用iPSC技术成功培养出胰岛β样细胞，具有胰岛样的特性。研究小组发现wnt4蛋白是能够打开体外葡萄糖刺激强大的胰岛素分泌所必需的物质。制备出了人类胰岛的功能性细胞簇：被称作人类胰岛样类器官（HILO）。
人类胰岛类器官生成示意图
胰岛样类器官的最新成果将有助于推动开发糖尿病替代疗法，未来病人有望不再依赖于需要免疫抑制的来源胰岛，以及常见的设备依赖型技术。对于1 型糖尿病患者来说，这是非常好的消息！
[3]Yoshihara, E., O’Connor, C., Gasser, E. et al., (2020).Immune-evasive human islet-like organoids ameliorate diabetes. Nature. DOI: 10.1038/s41586-020-2631-z
04 诱导多能干细胞变身肝脏类器官
——Cell Reports
美国匹兹堡大学医学院的研究人员公布了一项最新研究，使用人类皮肤细胞重编程诱导的诱导多能干细胞（iPSC）创建了功能完备的微型肝脏（即类器官），移植到大鼠中存活了四天。
相关研究成果题目为“Assembly and Function of a Bioengineered Human Liver for Transplantation Generated Solely from Induced Pluripotent Stem Cells”，发表在Cell Reports上。这些微型肝脏就像正常肝脏一样，会分泌胆汁酸和尿素。在自然环境中肝脏成熟需要长达两年的时间，但研究者却在不到一个月的时间内做到了。
研究者长期目标是创建可以代替器官捐赠的器官，但这项研究的积极意义在于，看到人类诱导iPSC分化器官的潜能。在急性肝功能衰竭中，可能只需要一段时间的肝强化治疗，并不是需要整个肝脏移植。”
这项研究仍有许多挑战需要克服，包括长期生存和安全问题。
[4]Takeishi K , et al. Assembly and Function of a Bioengineered Human Liver for Transplantation Generated Solely from Induced Pluripotent Stem Cells[J]. Cell Reports, 2020, 31(9):107711.
05 小肠类器官干细胞的命运调控大师
——Cell Stem Cell
组织和器官是由拥有不同物理性质的细胞有序地搭建而成。自我更新的小肠表皮，有序的折叠成隐窝和绒毛结构。小肠干细胞（Lgr5 ）在小肠隐窝底部自我更新。小肠干细胞在隐窝底部产生压力，并将分化后的小肠上皮细胞推向绒毛顶端。复杂的物理微环境导致小肠内的细胞存在极大的异质性和稳定性。然而细胞的物理性质和力学微环境如何调控小肠隐窝的功能仍未知。
2020年10月13日，麻省理工学院郭明课题组在Cell Stem Cell 上发表了题为“Volumetric Compression Induces Intracellular Crowding to Control Intestinal Organoid Growth via Wnt/beta-Catenin Signaling” 的研究论文。
该论文报道了细胞内分子拥挤在小肠类器官力学传导和干细胞命运调控中的作用。作者发现，在高渗培养液挤压的条件长时培养，可以有效的诱导成熟分化的小肠类器官（crypt organoid）转化成为以干细胞为主的干细胞团类器官（ISCs sphere）。
[5]https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.09.012
06 开发新型大脑类器官模型
——Cell Stem Cell
大脑类器官是利用人类多能干细胞在体外培养形成的三维组织，具有类似于胚胎人类大脑的细胞类型和细胞结构，是研究人类大脑发育和疾病的、有价值的模型系统。
2020年3月5日，宾夕法尼亚大学明国莉课题组在Cell Stem Cell杂志上发表文章Sliced Human Cortical Organoids for Modeling Distinct Cortical Layer Formation，开发了新型大脑类器官模型。
作者们构建了片状新皮质类器官（Sliced Neocortical Organoid，SNO）系统，通过将前脑类器官精确地切成圆盘状，使祖细胞区暴露于外部培养环境中，从而解决了缺氧和内部细胞死亡的问题。
在长期的SNO培养中，细胞增殖和神经发生持续存在，并且祖细胞区和神经元层的大小都远远超出了以前。在这种培养体系中，分离的神经层表现出不同的皮层特异性神经元亚型标记，与妊娠中期惊人相似。重要的是，这些自发活跃的神经元之间也具有稳定的神经连接。
这一研究克服了传统类器官3D培养中出现的问题，比如缺氧、细胞死亡等，为研究晚期大脑发育提供了良好的平台。
[6]
https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.02.002
07 首次在胚胎早期阶段获得心脏类器官
——Cell Stem cell
曾经有一段时间，在实验室里培养器官的想法只能出现在科幻小说中。如今，随着类器官的出现，干细胞生物学和组织工程学正在将其变成现实：在实验室培养出具有生理功能的类器官。从本质上讲，干细胞可以为我们提供按需生产的组织和微型器官，用于制药领域和医学研究，而无需始终依赖捐助者。
近日，瑞士洛桑联邦理工学院实现了在胚胎早期阶段成功生产出小鼠心脏类器官。2020年11月10日，国际知名学术期刊Cell Stem Cell 在线发表了这一成果。
研究人员从小鼠的胚胎干细胞中生长出类器官，在适当的条件下，它们可以自组织成“模仿真实器官中发现的组织结构，细胞组成和功能方面”。胚胎干细胞被置于特定条件下的细胞培养中，形成了一个三维聚集体，可以跟随小鼠胚胎的发育阶段，这个三维聚集体被称为“Gastruloid”。
Gastruloid可用于模仿胚胎中心脏发育的早期阶段，这是类器官未经探索的用途。小鼠gastruloid具有三个特征，使其成为模仿胚胎发育的合适模板：它们建立了像真实胚胎一样的发育计划，并且显示出相似的基因表达模式。。这些胚胎类器官（类原肠胚）模拟了胚胎发育并支持心血管祖细胞的生成，包括第一和第二心脏区域。在原肠样管附近形成跳动的心脏组织之前，心脏祖细胞自组织成一个新月形的前部区域，从而心脏组织被心内膜样层隔开。
这一突破性的工作为类器官打开了一个全新的维度，表明它们也可以用于模拟胚胎发育阶段。
[7]https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(20)30507-5
干细胞：人类类器官的仓库