類器官技術能夠在體外模擬體內器官組織的三維結構和生理功能，已被廣泛應用於疾病模型建立、藥物篩選、功能組織誘導等多種研究中，顯示出廣泛的應用前景【1】。類器官技術在2013年被Science雜誌評選為十大科學進展，成為過去十年再生醫學領域最重要的生物技術之一。傳統的類器官技術存在明顯的缺陷：模擬了體內穩態環境下幹細胞及其分化細胞的相互作用，無法呈現損傷再生條件下的器官組織變化。然而在體內損傷誘導的再生過程中，會出現損傷態幹細胞來主導組織損傷修復的過程【2】。如何在體外建立能夠捕獲損傷態幹細胞的類器官培養方法，是類器官研究及應用面臨的重要挑戰。
2021年1月8日，北京大學鄧宏魁研究組和合作者在Cell Research上發表了題為「Establishment of intestinal organoid cultures modeling injury-associated epithelial regeneration」的研究論文，在體外建立了具有損傷再生特徵的新型小腸類器官；基於新型小腸類器官，研究者開發了一個表觀化學小分子的組合，能夠在小鼠模型中促進腸道上皮組織的損傷修復。這項工作為研究上皮組織器官再生提供了新型的體外模型，同時也揭示了表觀遺傳調控在器官再生中的重要性。
為了解決這一問題，鄧宏魁研究組以類器官研究中普遍使用的小腸類器官為篩選模型，開展了大規模的化學小分子和細胞因子的篩選，發現一個由8個化學成分組成的培養條件（簡稱8C）。新的培養條件能夠在小腸類器官培養過程中啟動損傷再生基因的表達，生長出更加複雜的出芽結構。這些特徵與腸道損傷再生過程出現的「增生態」（Hyperplastic）隱窩非常相似（隱窩位於絨毛基部，是由幹細胞及其後代組成的增殖區域），因此8C條件下誘導的小腸類器官被命名為「增生態」小腸類器官，簡稱Hyper類器官（Hyper-organoid）。與傳統類器官相比，Hyper類器官的擴增能力得到了極大增強：連續培養5代之後，小腸幹細胞數量相比傳統類器官提升了10000倍。此外，Hyper類器官能夠長期傳代擴增並保持基因組的穩定性。
傳統ENR條件和8C條件誘導的小腸類器官形態（上圖）及再生基因表達（下圖）
為了進一步研究Hyper類器官是否能夠模擬器官損傷再生的過程，作者通過單細胞轉錄組測序對Hyper類器官中的細胞群體進行解構，發現Hyper類器官中顯著富集了Lgr5+腸道幹細胞群和Clu+復活樣幹細胞（revival-like stem cells）群，這些幹細胞群體與體內發現的腸道損傷態幹細胞具有相似的分子特徵和屬性。通過譜系追蹤和單細胞重建類器官實驗，作者進一步證實Hyper類器官中的Lgr5+細胞具有腸道幹細胞的功能。進一步分析發現兩個表觀遺傳小分子VPA和EPZ6438在8C條件中發揮著關鍵作用，調控了Hyper類器官中損傷再生相關的分子和表型特徵的誘導及維持，特別是對於損傷態幹細胞的誘導具有決定性作用。機制研究分析進一步闡明VPA和EPZ6438主要通過調控YAP通路下遊基因的激活發揮作用，這一作用很可能是通過降低小腸類器官YAP下遊靶基因的H3K27me3甲基化水平來實現的。
Hyper類器官的幹細胞群（左圖）和正確路徑細胞（右圖）富集YAP靶基因表達
在Hyper類器官研究的基礎上，作者進一步測試了VPA和EPZ6438的聯合處理能否促進體內小腸組織在損傷條件下的再生修復。他們發現這個組合在輻照誘導的小腸損傷小鼠模型中能夠有效增強再生反應，顯著上調輻照小腸隱窩的YAP下遊靶基因，並且這些基因的H3K27me3水平有明顯的下調。除了小腸體系，VPA和EPZ6438的聯合處理也能減輕急性結腸炎動物模型的疾病症狀。因此，VPA和EPZ6438聯合處理能夠有效促進體內腸道組織損傷再生。
VPA和EPZ6438介導的表觀重編程促進小腸類器官和小鼠腸道隱窩獲得再生特徵
該研究在體外建立了具有損傷再生特徵的新型類器官模型，該模型克服了類器官技術在體外無法模擬損傷再生條件下器官組織變化的缺陷，能夠捕獲並維持器官再生中的損傷幹細胞群，同時具備在體外高效擴增和長期維持的能力，為未來利用類器官技術在研究器官再生、建立疾病損傷模型和藥物篩選等方面提供了更加廣闊的應用前景。
鄧宏魁研究組長期致力於化學小分子調控細胞命運的研究和應用，在近年來取得了一系列突破：利用化學重編程實現了體細胞重編程以及譜系重編程【3, 4】，證明了化學調控的手段可以實現功能細胞在體外的長期維持和提升幹細胞的發育潛能【5, 6】。該項研究進一步顯示了化學調控手段在調控類器官功能方面的優越性，這一方法為在其他組織器官類型中建立具有再生特性的類器官培養方法提供了新的途徑。
北京大學鄧宏魁教授、北京大學幹細胞研究中心徐君研究員、及北京大學李程研究員為該論文的共同通訊作者，屈默龍博士、熊亮博士、博士研究生呂鈺麟為該論文的共同第一作者。
原文連結：
https://doi.org/10.1038/s41422-020-00453-x
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來源：BioArt