大热的类器官,离代替动物实验还有多远?

摘要: 它的潜力不容小觑哦。

10-10 17:19 首页 RnDSystems

提起人造器官,你能想到什么?是 3D 打印的活体人耳,是《攻壳机动队》中可随意更换的义体技术,还是备受生物领域推崇的类器官模型?类器官,不同于科幻电影中的遥不可及,也不同于 3D 打印器官的「激活」限制,其在再生医学、药物开发领域的潜力不容小觑。


电影《攻壳机动队》,GIF 图片来源于百度


什么是类器官?


类器官,顾名思义。简单来说是来源于干细胞,能体外展现真实器官的三维构造及生理功能的结构,已有 iPSCs 来源的胃肠道、肝脏、脑、视网膜、肾脏等类器官问世。需要具备以下特征[1]


  • 含有多种器官特异性的细胞类型

  • 可实现器官专属功能(如分泌、过滤、神经活动、收缩等)

  • 聚集成类似器官的结构


类器官能拯救实验动物吗?


药物开发过程中模式动物体内实验结果不能完全在临床中重复,模式动物无法等同于人类,造成大量前期实验付诸东流。且实验动物的使用一直被动物保护主义者诟病,存在社会伦理问题。


类器官能够模拟疾病形成过程,建立疾病模型,如视网膜类器官可模拟人类基因层面病变导致的失明,如色素性视网膜炎。


类器官可用于进行药物有效性及毒性测试,Clever 实验室使用囊性纤维化患者的细胞构建肠道类器官[2],并检测这些组织是否对实验性药物作出响应。只有响应出现,患者才能接受相应的治疗。到目前为止,Clevers 的小组已经通过这种方式帮助 7 名患者筛选出合适的药物。


类器官的获得与治疗潜能[1]


无论是建立疾病模型,还是进行药物测试,均可大幅度的降低实验动物的使用。而对于机体整体的反应,类器官显然还是鞭长莫及。


类器官的另一大神奇之处在于具有应用于器官移植的潜能,由于使用的是病人来源的干细胞进行诱导分化,因而克服了免疫反应。


如何构建类器官?


类器官的构建依赖于 3D 培养,其中悬浮的培养基品质成为 3D 培养的关键。最常用的培养基是基质胶 BME(Basement Membrane Extract,也就是常见的 Matrigel?),这是由一种小鼠细胞的胞外蛋白质组成的胶,它可以为类器官提供营养。


敲黑板,Matrigel? 只是商标名称,真正的产品名称应该为 BME(基底膜提取物)


3D 培养与 2D 培养相比的优异性,请查看历史文章:3D 细胞培养 | 基质胶是个啥神器?


构建不同类型类器官示意图[1]


不同类型的类器官构建所需的生长因子及 BME 浓度存在较大差异(如上图所示),Bio-Techne 提供类器官构建中各类所需的 BME 及生长因子等产品。


Bio-Techne BME 类器官应用实战示例:


人肝脏类器官

染色:ECAD(绿色)及肝细胞标志物 HNF4(红色);Hoechst 核染色


人肝脏类器官在分化介质中,11 天后分化为肝脏细胞

染色:白蛋白(红色)及 ZO-1(绿色);Hoechst 核染色(蓝色)


GFP 标记的类器官,来源于小鼠肝脏干细胞

细胞经表达 GFP 的慢病毒感染


如何突破类器官局限?


类器官有其不可避免的局限性,无法重现活体器官外周特征,包括细胞-细胞表面(上皮细胞与血管内皮细胞),化合物与氧气的供给,活体细胞微环境,器官中某些物质的梯度变化,如肾脏中离子运输、肝脏中胆汁的流动等。


新兴的依赖于微流体技术的 Organs-on-chips(器官芯片)能够打破这一局限,更好的模拟微环境、动力学特征及整个活体器官的生化功能。以一种肺部芯片为例,该芯片一侧通道由一层铺设在芯片薄膜上的肺泡细胞组成,将其暴露于血样培养基中,芯片另一侧通道连通空气,通过仪器对组织的牵拉与挤压作用模拟肺呼吸过[3]


模拟人体呼吸的肺部芯片模型[3]


不如让我们脑洞大开,除了器官芯片,还能够构建人体芯片,将各器官联系起来,模拟人体真实的器官互作。不如让我们再脑洞大开一下,人体芯片离「人工智能」又有多远,细思极恐的是,Ta 们是不是会如同神剧《西部世界》中的机器人一样,会出现自我意识?


参考文献:


[1] Lancaster MA, Knoblich JA. Science. 2014 Jul 18;345(6194):1247125. doi: 10.1126/science.1247125.


[2] Foley KE. Nat Methods. 2017 May 30;14(6):559-562. doi: 10.1038/nmeth.4307.


[3] Huh D, Hamilton GA, Ingber DE. Trends Cell Biol. 2011 Dec;21(12):745-54. doi: 10.1016/j.tcb.2011.09.005.



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