整合设计策略下的工程化类器官与类器官芯片技术

类器官和类器官芯片技术是一种由干细胞或特定类型的细胞在体外培养而成的模拟真实器官功能和微环境的三维组织结构,帮助研究者更准确地研究生物过程、疾病机制,为体外疾病模型的建立、药物筛选和个性化医疗提供了新的可能性。然而,当前类器官模型的构建还存在无法全面、准确模拟体内生物过程的诸多问题。为应对这一挑战,本文将讨论利用基于工程化原理的整合设计策略,指导类器官与类器官芯片技术的进一步优化,并通过将器官发育和疾病发展中的生物要素与跨学科工程方法建立合理的系统性联系,实现类器官在时间维度和空间维度上高度模拟体内器官自组织过程、结构与形态构建、生物功能获取的目标。进一步,利用整合高维数据集的数字孪生类器官系统,实现对类器官与类器官芯片的大数据管理、分析、追踪,将有助于更准确地进行疾病分析、指导预测、提出提前干预方案,推动精准医疗向“治未病”时代的进步。

肝脏类器官与代谢相关脂肪性肝病

全球代谢相关脂肪性肝病(MASLD/MASH)疾病负担愈来愈严重,对疾病潜在机制的理解不完全以及不同患者人群疾病病理生理学存在的显著差异,导致目前针对MASLD的治疗方法有限。3D类器官培养技术的进展,能够构建肝脏类器官模型,形成与人体肝脏生理病理环境更为相似的研究环境,进一步结合遗传学和基因组学,对深入探索人类代谢网络、研究MASLD发生机制,进而推进精准肝病学的发展具有重要意义。

转移性结直肠癌类器官的应用与展望

结直肠癌(colorectal cancer,CRC)是当前最常见的恶性肿瘤之一,具有较高的发病率和死亡率。50%以上的患者最终会出现肿瘤转移,且转移性结直肠癌(metastatic colorectal cancer,mCRC)患者对大部分药物敏感性不高,导致患者预后较差。虽然利用细胞系和患者源性异种移植模型进行mCRC的研究已较为成熟,但两者仍有较大的局限性。而患者来源肿瘤类器官作为患者衍生的三维培养物,具有模拟肿瘤体内特征、保留肿瘤细胞异质性、培养周期短及易于保存等优势,在mCRC的基础研究、药物作用机制的阐释、新药开发和个体化治疗等方面均展示出了极大的应用价值。本文概述了近年类器官技术在mCRC领域中的研究和挑战,旨在阐明类器官在mCRC中的研究价值,为后续研究提供方向。

糖尿病肾病模型:动物模型、二维细胞模拟及三维类器官模型

背景:近几年来,人类多能干细胞衍生的肾类器官及糖尿病肾病啮齿动物模型取得了一定的进展。然而,由于糖尿病肾病发病受环境因素及遗传因素共同作用,发病机制复杂,并且对于此类患者的临床治疗方法需要因人而异。因此,需要开发更灵活和综合的方法,从而发现强有力的临床前证据,以支持对糖尿病肾病患者进行更有针对性的干预。目的:从动物模型、二维细胞培养模拟及三维类器官模型等方面综述了糖尿病肾病模型的研究进展,为进一步的研究提供线索和思路。方法:以“糖尿病,糖尿病肾病,糖尿病肾病模型,糖尿病肾病动物模型,类器官,肾脏类器官,糖尿病肾病细胞模型,糖尿病肾病病证结合动物模型”为中文检索词,“Diabetes,diabetic nephropathy,diabetic kidney diseases,diabetic nephropathy models,diabetic nephropathy animal models,organoids,diabetic and organoids,diabetic and kidney organoids,kidney organoids,diabetic nephropathy cell models,diabetic nephropathy syndrome combined animal models”为英文检索词,检索中国知网及PubMed数据库,最终纳入101篇文献进行综述分析。结果与结论:糖尿病肾病体内模型和体外模型是深入研究糖尿病肾病发病机制的有力工具。动物模型可以观察到多系统之间的相互作用;二维细胞培养操作简便且成本较低;新兴的肾类器官填补了二维和整体水平之间的空白,无种属差异且一定程度模拟了人肾脏的复杂性。随着类器官技术的不断发展,肾类器官有望为探索糖尿病肾病的发病机制、病理生理过程和药物筛选提供一个新的视角。

海藻酸盐基复合水凝胶培养乳腺癌类器官中钙离子的关键作用

背景:基质胶是当前培养肿瘤类器官的主要材料,但单纯基质胶不足以在体外模拟肿瘤生长的力学环境;在基质胶基础上引入海藻酸盐材料可提升水凝胶刚度,但水凝胶力学性能在长期培养中难以维持稳定。目的:在乳腺癌类器官培养体系中引入少量钙离子,观察其对基质胶-海藻酸钠水凝胶长期力学性能的维持作用。方法:(1)在恒定质量浓度(5 mg/m L)的基质胶中引入不同质量浓度(0,2.5,5 mg/m L)的海藻酸钠,分别制备低、中、高刚度水凝胶,使用流变仪定期测量水凝胶的力学性能。(2)将人三阴性乳腺癌细胞MDA-MB-231重悬于不同刚度的水凝胶预凝胶中,成胶后加入含(或不含)钙离子的乳腺癌类器官因子培养基,进行乳腺癌类器官培养,在设定的时间点,使用流变仪定期测量引入钙离子对水凝胶力学性能的影响,光学显微镜下观察乳腺癌类器官形态变化,统计第13天乳腺癌类器官成球率。乳腺癌类器官培养7 d后,加入不同浓度(0.1,1,10,100 nmol/L)的化疗药物多西他赛干预6 d,检测细胞活力,计算多西他赛的半抑制浓度IC_(50)。结果与结论:(1)海藻酸钠的加入有效提高了水凝胶的力学强度。(2)随着乳腺癌类器官培养时间的延长,水凝胶的力学强度均降低,培养第13天,中、高刚度水凝胶在含钙离子培养环境中的力学性能均显著高于在不含钙离子培养环境中的力学性能(P<0.05),低刚度水凝胶在两种培养环境中的力学性能无明显变化(P>0.05)。在长期培养中(13 d),中、高刚度水凝胶组乳腺癌类器官随水凝胶力学性能的下降由圆形转化为梭形,而引入钙离子后两组乳腺癌类器官形态不随培养时间延长而改变。在培养环境中引入钙离子对低刚度水凝胶组乳腺癌类器官成球率无影响,但可提升中、高刚度水凝胶组乳腺癌类器官成球率。(3)在不含钙离子的培养环境中,随着多西他赛浓度的升高,乳腺癌类器官的细胞活力均降低,3组水凝胶组间的IC_(50)无明显差异(P>0.05);在含钙离子的培养环境中,随着多西他赛浓度的升高,乳腺癌类器官的细胞活力均降低,中、高刚度水凝胶组乳腺癌类器官的细胞活力强于低刚度水凝胶组,IC_(50)高于低刚度水凝胶组(P<0.05)。(4)结果表明,在乳腺癌类器官培养体系中引入钙离子可维持基质胶-海藻酸钠水凝胶的力学性能。

肿瘤类器官临床前转化研究及应用

越来越深入的肿瘤机制研究和临床精准治疗对肿瘤模型的建立提出了更高的要求,肿瘤类器官应用越来越广泛。该模型被认为可以再现亲代肿瘤的基因组、转录组、蛋白质组等多组学特征,具有细胞系模型所缺乏的异质性。基于这些特征,肿瘤类器官逐渐成为一个具有代表性的临床前模型,助力于新的研究成果转化以及患者的精准治疗。本文将从肿瘤类器官的研究及应用的角度总结其最新进展,重点关注当前建立肿瘤类器官方法以及应用中所面临的机遇和挑战。

卵巢恶性肿瘤类器官库的初建

背景卵巢恶性肿瘤异质性导致患者个体治疗效果差异大,经典治疗方案无法实现患者个体化治疗。可靠的卵巢恶性肿瘤体外模型可作为患者“替身”进行研究和药物敏感性测定,其结果为卵巢恶性肿瘤患者的精准治疗提供新思路。目的建立卵巢恶性肿瘤类器官生物库,在基因组学层面验证类器官与对应卵巢癌组织的一致性,探索类器官模型药敏结果预测临床疗效的可行性。方法分离患者组织来源的卵巢恶性肿瘤细胞,在基质胶三维环境中培养形成类器官。利用全外显子测序技术检测并对比类器官与对应卵巢恶性肿瘤组织的基因组学特征。类器官培养2~3 d后加入化疗单药或联合方案药物,进行药物敏感性测定。结果本研究建立了卵巢恶性肿瘤类器官生物库,包含来自113例患者的122个类器官系,培养成功率达90.4%。全外显子测序分析显示卵巢恶性肿瘤类器官在基因组学层面与亲本肿瘤组织具有一致性。卵巢恶性肿瘤类器官药敏结果对临床疗效的预测准确性达70.7%,敏感度为75%,特异度为55.6%。结论本研究在体外成功建立了卵巢恶性肿瘤类器官生物库,类器官模型可反映亲本肿瘤的基因组学特征,其药敏结果可反映临床疗效。卵巢恶性肿瘤类器官库为卵巢恶性肿瘤研究、药物开发、临床治疗方案制定提供了可靠的临床前模型。

类器官芯片在临床医学中的应用进展

类器官芯片是利用先进的微流控技术模拟体内循环系统的状态下培养活细胞的技术,更好地重现人体内生理及病理过程,为生长发育、疾病状态和药物筛选等提供可靠及重复性高的临床前模型。它可以有效解决传统的2D细胞、动物和类器官模型无法良好复现人体内生理及病理过程,预测药物等治疗能力较差的问题。类器官芯片中的活细胞可以来源于人多能干细胞,健康或患者成体干细胞等。本文重点探讨类器官及类器官芯片发展过程,制造类器官芯片材料的分类及现有新型技术,类器官芯片细胞培养中所遇到的问题及类器官芯片目前在临床医学上的应用。类器官芯片作为一种新兴的融合技术具有无限应用前景,但其也面临着诸多的挑战,如技术和材料上的问题。

胰腺癌类器官模型的构建与应用

目的 构建胰腺癌类器官(patient-derived tumor organoid, PDO)并进行药物治疗评价,评估PDO模型的有效性。方法 收集胰腺癌患者新鲜手术标本,用于PDO培养;分析PDO模型与原发瘤的病理学和遗传学特征;利用PDO模型开展临床化疗药物的疗效评价,测试模型的有效性。结果 成功建立一例胰腺癌PDO模型,组织形态学分析显示PDO模型基本保持了原发肿瘤病理学特征。全外显子测序结果显示,PDO在基因突变类型和特征方面与原始肿瘤保持一致。药物筛选试验显示,PDO模型对临床常用的化疗药物吉西他滨、伊立替康具有较好的敏感性。结论 成功构建了一例胰腺癌PDO模型,该模型能够反应原始肿瘤的组织学和遗传学特征,并可以进行体外药物敏感性实验,证明了PDO模型的有效性,有望应用于胰腺癌的个体化治疗。

R-spondin 1对食管鳞癌类器官培养的影响和传代消化酶的选择

目的优化食管鳞癌类器官的培养方法。方法收集郑州大学第二附属医院胸外科2023年5月至2024年3月食管鳞癌手术标本20例,用含/不含R-spondin 1的培养基培养类器官,观察二者对类器官生长的影响,同时比较市售的0.25%Trypsin-EDTA、1×Tryple和自配的组织消化液对类器官的消化效果。结果用含/不含R-spondin 1培养基培养食管鳞癌类器官时,两者的类器官大小、生长速率无明显差别(P>0.05)。0.25%Trypsin-EDTA消化细胞球时,细胞分散状态好,所生成的细胞球的数量均多于组织消化液和1×Tryple,1×Tryple消化细胞球的效率和所生成的细胞球的数量均大于组织消化液。结论R-spondin 1对食管鳞癌类器官的形成无明显影响;类器官传代扩增时,用0.25%Trypsin-EDTA有较好的消化效果。

类器官在子宫颈癌治疗中的研究进展

子宫颈癌是常见的女性生殖系统恶性肿瘤。研究发现,针对宫颈癌的肿瘤细胞系培养和肿瘤异种移植建模技术具有一定的局限性。子宫颈癌类器官是由患者来源肿瘤细胞培养形成的临床前研究模型,更准确有效地保留了肿瘤异质性,同时也具备兼顾肿瘤细胞与胞外基质间相互作用的潜力。本文将近年来宫颈癌类器官模型在发病机制、药物筛选及精准医疗方面的研究进行综述,进而分析类器官技术在妇科肿瘤研究的发展前景及挑战,以期为宫颈癌个体化治疗探索新的可能性。

骨/软骨类器官技术变革骨/软骨疾病临床诊疗策略

运动系统疾病诊疗面临机制研究不清、诊断效率低下、模型构建困难、药物研发缓慢、难以仿生修复等难题。骨/软骨类器官是一种新技术,通过体外三维培养细胞构建可模拟骨/软骨结构和功能的组织,为骨/软骨疾病研究提供新工具,变革了骨科临床诊疗策略。本文针对骨/软骨疾病诊疗困境,系统介绍了骨/软骨类器官构建策略及研究现状,提出变革临床诊疗策略的前沿进展,总结骨/软骨类器官从基础类器官、结构化类器官到功能化类器官的3个发展阶段,以期为骨/软骨类器官基础与临床转化研究提供参考。

力-化学偶联信号促进皮肤类器官自组装的机制研究

目的基于皮肤类器官模型探索生物力学-化学信号促进皮肤及毛囊再生的机制,为解决皮肤创伤和脱发问题提供新的思路。方法本研究通过微流控类器官培养模型、细胞延时摄影、单细胞多组学技术、力学环境重编程、分子功能干扰等技术探究了生物力学-化学信号如何参与皮肤类器官的自组装过程,通过裸鼠移植实验评价了类器官诱导毛发再生的效果。结果通过延时摄影对类器官自组装过程中的细胞行为进行追踪,发现真皮细胞和表皮细胞经历了“聚集-极化-联合-平面化”4个阶段,形成功能性皮肤结构。真皮细胞的收缩力激活了表皮聚集体的Piezo1信号,进而形成极化的细胞形态发生单位,此结构通过局部微环境力学硬度增加激活了Yap1及下游的Wnt/Mmp信号,诱导相邻的CMU结构联合。在缺氧诱导因子Hif1a的驱动下真皮细胞和表皮细胞通过代谢适应完成相位分离,形成功能性平面化皮肤。将完成自组装的类器官移植裸鼠背部后,成功诱导移植部位的毛发再生。结论本研究深入分析了皮肤类器官的自组装过程,揭示了力学-化学信号引起的组织形态相变影响毛囊再生的机制。这一自组装途径为利用解离的皮肤前体细胞提供了一种重塑形态的有效途径,也为未来修复或改造器官提供了可能性。

肺类器官在呼吸系统感染性疾病研究中的应用进展

类器官是细胞在体外悬浮培养条件下自发形成的具有自我更新能力及相关功能的细胞团,是强大的三维模型,可一定程度再现原始组织的细胞异质性、结构与功能。肺类器官(LOs)由人类多能干细胞或成体干(祖)细胞培养、构建而成,其与免疫细胞共培养可更好地体现肺组织免疫反应及体内感染的全貌。本文对比分析LOs与其他肺部感染性疾病常用研究模型(包括动物模型、二维细胞培养、肺芯片和精确切割肺切片等)的特点,概述LOs的构建方法及其在病毒、细菌、分枝杆菌、隐孢子虫等引起的呼吸系统感染性疾病研究中的应用进展。

微乳头型肺腺癌类器官的构建及其靶向药物的筛选

目的建立微乳头型肺腺癌类器官的培养方法,并开展靶向药物的筛选。方法自确诊为微乳头型肺腺癌患者手术组织样本中提取和培养原代肺癌类器官,动态观察和记录肺癌类器官生长情况;苏木精-伊红(HE)染色法及免疫组化染色法比较肺癌类器官与亲本组织间肿瘤细胞形态及蛋白表达特征;实时荧光定量聚核酶链反应检测肺癌亲本组织和类器官中基因突变情况;基于基因检测结果挑选靶向药物并验证其体外抑瘤效果。结果成功从微乳头型肺腺癌组织中培养出类球形肿瘤类器官,可传代至少3代。HE染色结果可见类器官中肿瘤细胞形态与亲本组织细胞基本一致;免疫组化染色结果显示肺癌类器官与亲本组织中各基因的蛋白表达水平大致相同;基因突变分析结果显示,肺癌亲本组织和类器官的突变基因结果一致,均体现为原癌基因酪氨酸蛋白激酶受体Ret(RET)融合突变。基于肺癌类器官的靶向药物筛选结果显示,凡德他尼的体外抑瘤效果最佳。结论基于微乳头型肺腺癌类器官的药筛实验可在短时间内筛选出高效靶向药物,可使微乳头型肺腺癌患者从中获益。

肿瘤类器官个体化药物敏感性检测是病理科发展新契机

肿瘤类器官是将患者来源的新鲜肿瘤组织经体外三维(3D)细胞培养系统建立的、与患者肿瘤特征高度相似的一种立体模型^([1]),能高度模拟人体内肿瘤组织的结构和功能,并展现细胞与细胞以及细胞与基质之间的相互作用。

高级别浆液性卵巢癌类器官模型的建立及鉴定

目的 建立并鉴定高级别浆液性卵巢癌类器官模型。方法 选取行卵巢癌细胞减灭术的10例高级别浆液性卵巢癌患者的卵巢癌组织,将卵巢癌组织消化成单细胞,在基质胶中培养7天,构建高级别浆液性卵巢癌类器官模型。比较类器官与原发肿瘤的形态学特征、免疫组化特征和苏木精-伊红(HE)染色结果。结果 10例患者的高级别浆液性卵巢癌类器官模型均成功构建。光学显微镜显示类器官数量可观,形态呈类圆形3D立体结构。HE染色显示,在高倍镜下,类器官细胞核异型性明显,局部区域形成微乳头状结构。免疫组化显示黏蛋白16(MUC16)强阳性,p53弥漫性强阳性,类器官与原发肿瘤的免疫组化染色情况一致。结论 体外成功构建的高级别浆液性卵巢癌类器官模型具有明显的上皮性特征,与原发肿瘤高度相似,可用于卵巢癌的药物筛选和基础研究建模。

小鼠胚胎类器官不同胚层三维牵引力的定量测量

目的力学因素在胚胎发育过程中扮演重要角色,如何对胚胎产生的力进行测量是一项艰巨的挑战。弹性微球等新型探针已经成功地在斑马鱼胚胎和小鼠胚胎中对胚胎组织产生的三维牵引力进行定量测量。体外培养的胚胎类器官比天然的胚胎更为脆弱,如何对其产生的牵引力进行测量,是一项更为艰巨的挑战。方法将弹性微球与OGTR1小鼠胚胎干细胞共同培养在180 Pa的三维纤维蛋白软胶中,通过添加不同的细胞因子组合诱导胚胎干细胞高效地发育为具有有序三胚层结构的胚胎类器官。在胚胎类器官发育的过程中,与胚胎干细胞黏附的弹性微球会被包裹到胚胎类器官内部,并会分布到胚胎类器官的不同位置。用Triton X-100去除胚胎细胞产生的力,并在处理前后用激光共聚焦显微镜对弹性微球和胚胎类器官进行三维成像,记录下弹性微球的位置和形态,计算出弹性微球的受力。结果在三维纤维蛋白软胶中,用细胞因子组合对胚胎干细胞进行诱导,可以诱导超过75%的细胞克隆形成具有类似天然三胚层结构的胚胎类器官。对处于不同胚层区域的弹性微球进行受力分析,发现中胚层区域组织产生的牵引力显著高于其他区域。结论本研究建立了在小鼠胚胎类器官中定量测量三维牵引力的方法,并发现不同胚层产生的牵引力的差异。

类器官及其芯片--生物医药研究的新模型

体外培养的哺乳动物和人的组织、器官作为生物、医药研究的模型,经历了100余年的探索及进步,历久弥新。经过最初40年的外植物三维(explant,3D)培养阶段,到中间50~60年的细胞系(2D)建立,迎来了当下的2个阶段的结合——类器官培养(获取游离单细胞后再进行3D培养)时代。类器官模型第一个热潮在20世纪70年代,目前又迎来了空前高涨的第二个热潮。类器官是由具有增殖能力的细胞在特定的3D体外微环境中自组织发育而来,能够高度模拟体内细胞行为、组织结构和器官功能,与其他体外模型相比具有更高的异质性和更好的可编辑性。2013年类器官技术被《Science》杂志评为世界年度十大技术之一。2021年,类器官被列为我国“十四五”国家重点研发计划重点专项,“肿瘤类器官诊治平台的质量控制标准中国专家共识”的提出也使类器官技术的应用更为规范。特别是类器官培养技术与微流控结合、芯片技术结合而发展的类器官芯片更令人耳目一新,可以设想:一块芯片上模拟一个人全身的各器官(person-on-chip)或者是一群人的某一个类器官(population-on-chip)构建的类器官芯片,在个性化研究或者是群体研究中的应用,非常值得期待。

一种对激素具有反应性的大鼠阴道类器官模型建立及鉴定

目的:构建一种生理相关的、对激素具有反应性的大鼠阴道类器官模型。方法:取大鼠阴道组织,通过酶解、消化等方法分离获得原代大鼠阴道上皮细胞,包埋于基质胶中并使用改良类器官培养基进行3D培养。HE染色观察类器官形态特征,免疫荧光对阴道上皮特异性角蛋白和增殖相关蛋白等进一步进行表征。雌、孕激素处理验证阴道类器官对激素的反应性。结果:大鼠阴道类器官呈直径约100μm的实心球状。HE染色显示其由多层上皮细胞构成,免疫荧光染色显示其表达的Krt5/8、Krt15、Ki67、TP63等阴道上皮标志物,与原始阴道上皮组织一致。大鼠阴道类器官对雌激素和孕激素产生应答反应,雌激素处理后,阴道上皮终末分化标志物Krt6b、Krt13和增殖标志物Ki67等基因表达水平升高。结论:使用基质胶包埋,类器官培养基浸润培养的方法,成功构建一种对激素具有反应性的大鼠阴道类器官模型。