Unraveling pathological mechanisms in neurological disorders:the impact of cell-based and organoid models

Cell-based models are a promising tool in deciphering the molecular mechanisms underlying the pathogenesis of neurological disorders as well as aiding in the discovery and development of future drug therapies.The greatest challenge is creating cell-based models that encapsulate the vast phenotypic presentations as well as the underlying genotypic etiology of these conditions.In this article,we discuss the recent advancements in cell-based models for understanding the pathophysiology of neurological disorders.We reviewed studies discussing the progression of cell-based models to the advancement of three-dimensional models and organoids that provide a more accurate model of the pathophysiology of neurological disorders in vivo.The better we understand how to create more precise models of the neurological system,the sooner we will be able to create patient-specific models and large libraries of these neurological disorders.While three-dimensional models can be used to discover the linking factors to connect the varying phenotypes,such models will also help to understand the early pathophysiology of these neurological disorders and how they are affected by their environment.The three-dimensional cell models will allow us to create more specific treatments and uncover potentially preventative measures in neurological disorders such as autism spectrum disorder,Parkinson’s disease,Alzheimer’s disease,and amyotrophic lateral sclerosis.

Novel organoid model in drug screening: Past, present, and future

Advances in the field of stem cells have led to the development of a technology called organoids.Organoids are cell cluster structures formed by the cultivation of stem cells in a three-dimensional environment in vitro,and they can simulate the living environment of cells in vivo.Organoids play an important role in the screening of drugs for tumor therapy.Compared with traditional drug screening models,tumor organoid models derived from patient tumors have higher sensitivity,heterogeneity,and stability and can restore the real situation of tumors more effectively.Researchers have conducted a number of researches on the feasibility of using organoid technology in drug screening.By testing and comparing the effects of antitumor drugs in organoids and primary tumors,we can select the most appropriate treatment drugs for patients.In the past ten years,organoids from dozens of tissues and biological sample banks from several main organs have been established,and a large number of anticancer drugs have been screened out.This article summarizes the advantages and disadvantages of traditional drug screening models,discusses the development history of organoid technology,and reviews the research results on organoids from tumor drug screening.In addition,the combination of organoid technology and other modern biotechnologies is put forward to further promote the role of organoid technology in the medical field.Finally,this article reviews the history,progress,and prospect on organoids from the view of antitumor drug screening.

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。

类器官技术在医疗领域的应用和监管挑战

背景:3D类器官具有类似于生理组织并在一定程度上模仿器官功能的特点,使其成为从基础发育/干细胞研究到个性化医疗等应用的出色模型。目的:综述并讨论类器官可应用的疾病类型和肿瘤建模等应用领域,以及其监管现状和挑战。方法:以“类器官,干细胞,疾病模型,3D打印技术,医疗领域”为中文检索词,以“organoid,stem cell,disease model,3D printing technology,medical field”为英文检索词,检索PubMed、Elsevier、万方、中国知网等数据库,对国内外类器官产品进行汇总分析,总结出类器官技术在医疗领域中的应用情况,并对类器官产品在医疗领域的未来发展进行展望。结果与结论:类器官组织可以打破传统细胞和动物模型的局限性,规避临床研究中存在的伦理问题,与源器官具有高度相似性,与人类系统的生理和病理具有更加相似的表现且遗传稳定,在当前研究中具有极大的优势。类器官在以下领域已得到应用:药效评价研究(临床前模型),包括肠道类器官、肾脏类器官、肝脏类器官、胆囊类器官、肺类器官、脑类器官、心脏类器官、皮肤类器官、生殖系统类器官等;传染病研究;肿瘤研究及精准治疗;再生医学;免疫类器官。美国、欧盟和中国虽暂无完善的监管规定,但均在努力推进类器官监管法律法规的制定。在国内,类器官医疗器械产品虽暂无已上市产品,但与其相关的再生医学产品已有突破性进展。

胃癌类器官模型应用于个性化药物筛查的可行性

背景:术后辅助化疗是治疗胃癌的常用方法,但患者对化疗的反应存在很大的差异,需要一种新的临床治疗前模型,来指导胃癌患者的个性化药物治疗。目的:构建基于胃癌组织的类器官模型,探讨其在个性化药物筛查中的应用价值。方法:收集20例胃癌患者术中切除的组织标本,消化分解后与基质胶混合种板,添加含有表皮生长因子和成纤维细胞生长因子10的类器官培养基进行培养。采用苏木精-伊红染色和免疫组化染色对胃癌类器官及原始肿瘤组织进行病理形态学及免疫分子标记同质性验证。通过对卡铂、伊立替康、氟尿嘧啶、奥沙利铂、紫杉醇、表阿霉素等6种药物进行药物敏感性筛查,评估胃癌类器官模型用于药物筛查的可行性。结果与结论:成功培养14例胃癌类器官,类器官的形态及生长特性存在个体性差异,所有类器官均可稳定传代、冻存、复苏。胃癌类器官保留了与原发肿瘤相同的形态学特征及免疫分子表达。6例类器官对6种化疗药物表现出了不同的药物敏感性,初步证实了胃癌类器官作为体外药物筛查模型具有可行性。

肝脏类器官在肝脏疾病模型与移植治疗中的应用潜力

背景:肝脏类器官对阐明肝脏疾病的确切病理机制及对肝脏疾病的治疗具有重要的意义。目的:总结目前国内外该领域的基础研究,回顾以往肝脏类器官的构建、疾病建模和移植治疗的重要研究进展,探讨肝脏类器官联合组织工程技术的应用前景。方法:检索PubMed数据库及中国知网数据库收录的相关文献,英文检索词为“liver,organoids,liver diseases”,中文检索词为“肝,类器官,肝脏疾病”,主要检索时限为2018年4月至2024年4月,通过人工阅读排除重复文献等,最终纳入94篇文献进行归纳分析。结果与结论:①肝脏类器官构建的种子细胞主要集中于成体细胞和多能干细胞,通过辅助各种细胞因子参与信号引导作用和细胞外基质提供3D微环境,促进类器官的产生,但是整体成熟度不高,有望通过结合组织工程技术改善这一问题;②体外疾病建模方面主要在简单疾病和单基因遗传病领域研究较多,类器官高度保留患者遗传特性,有望通过结合CRISPR-Cas9基因矫正和其他新兴技术模拟更复杂的肝脏疾病并阐明更深层次的病理机制;③体内移植治疗方面,肝脏类器官能够安全有效的植入,表现出惊人的肝功能替代潜力及组织再生能力,并且还可能通过与其他组织工程材料结合达到治疗目的。

Utilizing gastric cancer organoids to assess tumor biology and personalize medicine

While the incidence and mortality of gastric cancer (GC) have declined due to public health programs, it remains the third deadliest cancer worldwide. For patients with early disease, innovative endoscopic and complex surgical techniques have improved survival. However, for patients with advanced disease, there are limited treatment options and survival remains poor. Therefore, there is an urgent need for more effective therapies. Since novel therapies require extensive preclinical testing prior to human trials, it is important to identify methods to expedite this process. Traditional cancer models are restricted by the inability to accurately recapitulate the primary human tumor, exorbitant costs, and the requirement for extended periods of development time. An emerging in vitro model to study human disease is the patient-derived organoid, which is a three-dimensional system created from fresh surgical or biopsy tissues of a patient’s gastric tumor. Organoids are cultured in plastic wells and suspended in a gelatinous matrix, providing a substrate for extension and growth in all dimensions. They are rapid-growing and highly representative of the molecular landscape, histology, and morphology of the various subtypes of GC. Organoids uniquely model tumor initiation and growth, including steps taken by normal stomach cells to transform into invasive, intestinal-type tumor cells. Additionally, they provide ample material for biobanking and screening novel therapies. Lastly, organoids are a promising model for personalized therapy and warrant further investigation in drug sensitivity studies for GC patients.

The promises and challenges of patient-derived tumor organoids in drug development and precision oncology

In the era of precision medicine,cancer researchers and oncologists are eagerly searching for more realistic,cost effective,and timely tumor models to aid drug development and precision oncology.Tumor models that can faithfully recapitulate the histological and molecular characteristics of various human tumors will be extremely valuable in increasing the successful rate of oncology drug development and discovering the most efficacious treatment regimen for cancer patients.Two‐dimensional(2D)cultured cancer cell lines,genetically engineered mouse tumor(GEMT)models,and patient‐derived tumor xenograft(PDTX)models have been widely used to investigate the biology of various types of cancers and test the efficacy of oncology drug candidates.However,due to either the failure to faithfully recapitulate the complexity of patient tumors in the case of 2D cultured cancer cells,or high cost and untimely for drug screening and testing in the case of GEMT and PDTX,new tumor models are urgently needed.The recently developed patient‐derived tumor organoids(PDTO)offer great potentials in uncovering novel biology of cancer development,accelerating the discovery of oncology drugs,and individualizing the treatment of cancers.In this review,we will summarize the recent progress in utilizing PDTO for oncology drug discovery.In addition,we will discuss the potentials and limitations of the current PDTO tumor models.

器官芯片——更具前景的体外模型

传统的体外模型具有不可避免的局限性,与人体试验相比,在评估药物疗效和不良反应方面存在显著差异。器官芯片技术在生理环境和功能芯片上模拟人体器官,具有高保真的生理或病理生理功能,为药物开发提供了巨大的创新前景。本文主要从体内各系统角度介绍器官芯片的研究进展和应用,同时提出目前器官芯片发展过程中存在的局限性和未来的发展方向。

头颈部恶性肿瘤研究模型的演化

恶性肿瘤发生发展的机制探索以及抗癌药物治疗疗效的评估均有赖于各种体内与体外研究模型的建立。近几十年间,随着生物医学技术的快速发展,恶性肿瘤的体内外研究模型也发生了巨大的变化。基因检测技术从单基因到多基因的进展促进了生物信息学飞速发展和恶性肿瘤概念的转变;体外细胞研究模型从单层的二维培养、原代培养向立体的三维构型发展,从而更好地重现肿瘤组织的细胞间交互作用与功能;体内动物研究模型由传统的致癌物诱导、细胞或组织形成移植瘤逐渐演变为基因编辑的动物模型或人源性肿瘤异种移植模型,从而可以针对性地研究相关基因在肿瘤发生发展中的作用;传统的临床研究也从简单的临床回顾性研究更多地向前瞻性研究转变,Ⅰ期/Ⅱ期/Ⅲ期临床研究,研究者发起的临床研究以及真实世界临床研究,这些研究为临床研究增添了活力。目前恶性肿瘤研究模型存在的主要不足包括模型的单一性、对肿瘤微环境的模拟不足、动物肿瘤模型与人类肿瘤差异性,以及缺乏对个性化医疗的考量。未来仍需要进一步研发和优化研究模型,并更有效地将不同模型整合起来,形成一个优化的整体实验模型系统。本文将系统回顾恶性肿瘤研究模型的演化并对相关模型进行阐述,为科研工作者进行恶性肿瘤的研究提供合理的研究模型。

Pyroptosis:A promising biomarker for predicting colorectal cancer prognosis and enhancing immunotherapy efficacy

In this editorial,we comment on the article by Zhu et al published in the recent issue of the World Journal of Clinical Oncology.We focus specifically on the characteristics and mechanisms of pyroptosis and the impact of changes in the tumor immune microenvironment(TIME)on cancer prognosis.Pyroptosis is a distinct form of programmed cell death;its occurrence can change the TIME and regulate the growth and spread of tumors and therefore is significantly correlated with cancer prognosis.Previous research has demonstrated that pyroptosis-related genes can be used in prognostic models for various types of cancer.These models enhance the mechanistic understanding of tumor evolution and serve as valuable guides for clinical treatment decision-making.Nevertheless,further studies are required to thoroughly understand the function of pyroptosis within the TIME and to assess its mode of action.Such studies should reveal new tumor therapeutic targets and more successful tumor immunotherapy strategies.

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。

肝器官芯片在生物医学研究中的应用进展

肝脏具有复杂结构和多种功能,包括血糖调控、蛋白合成、解毒和药物代谢等,在维持人体正常生理活动中起着重要作用。传统的二维细胞培养和动物模型已被广泛用于肝脏生理或疾病研究,但它们在反映人体组织真实微环境和对药物反应等方面仍存在一定局限。因此,建立高仿真度肝脏体外模型对于肝病研究、药效与毒性评价至关重要。本文概述了传统肝脏体外模型在实现近生理复杂微环境模拟、肝组织特异性功能准确复现等方面的局限性,总结了以器官芯片为代表的新型肝脏体外模型的设计策略、技术特点及其在生物医学领域的研究进展。文中重点介绍了肝器官芯片仿生构筑和实现肝组织微环境模拟的关键要素,包括多细胞组分、肝窦/肝小叶结构、生化因子梯度和流体因素等,并对未来结合其他先进手段(如类器官、生物材料和基因编辑等)等,建立高度生理相关性的肝器官芯片和微生理系统的发展前景予以展望。

猪流行性腹泻病毒PEDV SD株的分离及体外3D肠道类器官感染模型建立

猪流行性腹泻病毒(PEDV)是一种主要感染仔猪小肠的肠道冠状病毒。本研究旨在建立一种用于PEDV体外研究的仔猪小肠类器官模型。首先从PEDV发病猪场的临床仔猪腹泻样品中分离PEDV并进行全基因组测序,结果显示成功分离1株PEDV,命名为PEDV SD株。另外采用肠道类器官的培养技术,从10日龄健康仔猪小肠中分离小肠隐窝组织,经过体外培养7 d左右分化成具有肠道隐窝结构的猪小肠类器官,并能进行连续传代。然后将分离的PEDV SD株感染传代培养的猪小肠道类器官,通过间接免疫荧光试验显示PEDV可以很好地感染猪小肠道类器官,表明成功建立了PEDV感染肠道类器官的模型。猪小肠类器官感染模型可以在体外很好地重现PEDV感染肠道细胞的复杂结构的过程,为深入研究PEDV的致病机制提供一种新的可再生的体外研究模型。

脑类器官在再生医学中的研究进展

脑类器官是一种基于人多能干细胞的三维体外模型,能够模拟人脑的细胞异质性、结构和功能。再生医学是一个多学科交叉的领域,致力于应用工程学和生物学手段修复因年龄、疾病或外伤而受损的组织或器官。脑类器官技术作为再生医学领域的一种重要手段,具有广阔的应用前景和重要的科学意义。近年来,利用组织工程和诱导因子分化技术,研究人员成功构建出不同脑区的脑类器官模型,可用于模拟脑损伤或修复病变组织。本文将系统介绍包括大脑皮层、海马、纹状体、中脑、丘脑及下丘脑、小脑和视网膜在内的脑区特异类器官构建技术的最新进展,总结其在再生医学领域中的应用,并概括当前脑类器官应用面临的挑战,如异质性大、缺乏脉管系统和成熟度较低等。这将加深对人类大脑的理解,并增强脑类器官在基础研究和临床研究中的进一步应用。

子宫内膜异位症在位内膜上皮类器官模型的建立及鉴定

目的:探讨并验证构建人子宫内膜异位症(EMs)患者在位内膜上皮类器官模型的可行性及影响因素。方法:选择经腹腔镜手术并病理确诊为卵巢型EMs囊肿患者的新鲜在位内膜组织10例,组织消化法将在位内膜消化成单细胞,在基质胶Matrigel中培养7d构建EMs在位内膜上皮类器官模型。通过形态学、免疫组化、HE染色、透射电镜检测等,与原在位内膜组织对比进行模型鉴定;雌激素1、5、10nmol/L干预后观察在位内膜上皮类器官直径的变化,初步探讨雌激素在EMs在位内膜上皮类器官构建中的作用。结果:10例患者在位内膜组织均成功构建EMs在位内膜上皮类器官,光学显微镜下显示在位内膜上皮类器官的数量可观,形态上呈类圆形3D立体结构,周围可见腺体结构;免疫组化显示上皮源性标记物及雌孕激素受体表达阳性属于内膜源性上皮;HE染色显示在高倍镜下构建的在位内膜上皮类器官排列成腺腔样结构但腺体排列稀疏,较不规则,腔体内部分细胞形成分隔与原组织腺上皮结构相似;透射电镜显示在位内膜上皮类器官的内部超微结构与原在位内膜组织具有高度相似性;在培养基中加不同浓度雌二醇,10nmol/L雌激素浓度干预第6d的类器官直径明显大于对照组(P<0.05)。结论:体外成功构建的EMs在位内膜上皮类器官模型具有上皮性特征,与原在位内膜组织对比高度重现来源组织的结构、病理特性,可替代人子宫内膜异位症在位内膜组织用于EMs疾病药物的干预与基础实验的研究的建模。

成人源性甲状腺类器官的构建、鉴定及体外培养方案的优化

目的构建成人源性甲状腺类器官模型,并优化其体外培养方案。方法选取成人甲状腺乳头状癌(PTC)患者癌旁正常甲状腺组织,经消化、分离得到甲状腺细胞,以基质胶包埋细胞,设计不同甲状腺类器官条件培养基进行培养,在显微镜下观察第1代和第2代类器官形成效率和出芽情况。采用H-E染色观察类器官模型的组织学形态,免疫组织化学染色检测类器官模型中甲状腺特异性标志物NK2同源框蛋白1(NKX2.1)、配对盒基因8(PAX8)和甲状腺球蛋白(TG)表达情况,评估类器官模型与正常甲状腺组织的一致性。采用ELISA法检测类器官模型上清液中甲状腺素(T4)和三碘甲状腺原氨酸(T3)水平,验证其是否具有激素分泌功能。结果从7例PTC患者的手术标本中成功建立了8例甲状腺类器官模型。在甲状腺类器官培养体系中,提高Noggin和表皮生长因子浓度及联用多种小分子抑制剂后,第1代和第2代类器官模型出芽更多、球体更大,类器官形成效率更高。H-E染色结果显示,甲状腺类器官模型中可见大量由单层立方上皮细胞围成的滤泡结构,与人体甲状腺组织结构特征相似。免疫组织化学染色结果显示,类器官模型中甲状腺标志物NKX2.1、PAX8和TG阳性,与来源组织生物标志物特征一致。ELISA检测结果显示,类器官模型上清液中可见T3、T4分泌,表明其具有甲状腺激素分泌能力。结论采用成人甲状腺组织构建的类器官模型稳定,为甲状腺功能减退症的再生医学治疗提供了新的方向。

食源性致病菌感染体内外肠道模型研究进展

体内外肠道模型是研究食源性致病菌的重要科学工具之一,已被广泛应用于食源性致病菌感染的致病机理、基因表型、耐受性、免疫反应和疫苗开发等研究领域。目前,国内外对食源性致病菌肠道模型的研究已有诸多进展,但缺乏较为系统的总结。本文对近年来研究食源性致病菌的体内外肠道模型进行了系统阐述。分别归纳了啮齿类、非人灵长类和其他一些动物模型在食源性致病菌研究中的应用进展,并系统阐述了细胞模型、肠道类器官等体外模型的研究进展及其应用价值和前景,最后分析和讨论了不同肠道模型在食源性致病菌研究中的优劣势。体内动物模型可全面评价食源性致病菌的宏观感染进程以及宿主免疫反应,但由于物种差异,结果不能完全适用于人类;体外三维细胞模型,尤其是肠道类器官和器官芯片,采用人体细胞,不存在种源差异,在研究食源性致病菌微观层面上的致病机制、细胞和组织趋向性方面潜力巨大。本文的进展研究,将为研究食源性致病菌提供科学依据和参考。

脑类器官的构建及其神经疾病应用现状

从十多年前发现自组装脑类器官(brain organoids)构建方案以来,这一领域取得了显著进展。这些脑类器官的细胞类型和结构与发育中的人类大脑极为相似,使其成为获得性和遗传性脑疾病的致病机制及病因学的理想模型。此外,区域特异性脑类器官的开发,为药物发现和毒性测试提供了针对性的平台。作为研究工具,脑类器官为揭示人类神经系统疾病的分子机制提供了新的视角。本文综述了构建脑类器官的技术以及这些技术在模拟神经疾病方面的应用研究,旨在为该领域的应用研究提供有价值的参考和启示。

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。