隨著生命科學的發展,人類已經攻克各種疾病,也不僅僅滿足於在動物模型上試驗。複製和重建人類器官成為科學家們迫切希望實現的事情。於是,類器官誕生了。所謂類器官就是有組織結構的3D器官模型,它來自於人胚胎幹細胞或誘導多潛能性幹細胞,是一種高度未分化細胞,具有發育的全能性,能分化出成體人類的所有組織和器官。
上皮類器官,如來源於腸道幹細胞的類器官,在組織和疾病生物學建模方面有很大潛力。然而,目前用於在三維矩陣中獲得這些類器官的方法仍有各種局限性。
近日,瑞士洛桑理工學院Matthias P. Lutolf小組在《Nature》雜誌上在線發表了題為「Homeostaticmini-intestines through scaffold-guided organoid morphogenesis」的文章,通過支架引導產生類器官形態發生,實現迷你小腸的構建。
DOI: 10.1038/s41586-020-2724-8
為了使腸類器官塑造出其特有的隱窩和絨毛結構的形態,研究人員製作了一種可滲透氣體、營養物質和大分子的支架,這是一個足夠強大的物理屏障,可以通過腸幹細胞(ISCs)的增殖和分化,限制ISCs的生長使其呈現出預定的形狀。之後在小鼠模型上進行驗證,研究人員將水凝膠(I型膠原和基質凝膠)合成物放在一個可灌注的平臺上,以產生一個混合微晶片系統,該裝置具有一個用於水凝膠裝載和類器官培養的中央腔室,兩側有一對(入口和出口)儲液罐,用於裝載細胞和管腔灌注,並且通過水凝膠向組織基底側提供介質和生長因子。
管狀微型腸道長期穩態培養的建立
結果表明,原代小鼠膽管細胞或來自小腸的原代人類幹細胞可以定植於管狀支架,產生了連貫、緊密且可灌流的上皮組織。這就表明,一種模擬基底膜的支架可以用於從原始幹細胞構建開放的上皮,其解剖結構與體內相似。
理論上,用穩定的組織來建立傳統的上皮類器官幾乎是可以無限期地繁殖的,但在這些系統中的長期培養需要連續傳代,需要每隔幾天將類器官分解成碎片或分散的單個細胞。所以研究人員探討了在不傳代的情況下維持腸小管上皮細胞數周的可能性,發現每隔12小時用標準的類器官培養基甚至無生長因子的培養基來灌注管腔,可以清除類器官管中的死細胞,組織的壽命可延長至一個月或更長,從而保存小鼠模型的整體組織解剖。
接下來,研究人員測試了誘導分化對ISC來源的上皮細胞的影響,發現細胞增殖明顯的區域很大程度上局限於隱窩區域,腸內分泌細胞和杯狀細胞幾乎只出現在輸卵管的中央區域,與絨毛狀區域相對應。另外,研究人員還證實了空間限制性水凝膠支架促進了ISCs形成功能性腸上皮,表現出與體內類似的隱窩和絨毛樣結構域的空間排列。
具有代表性的7天齡迷你腸管的螢光共聚焦圖像
隨後,研究人員將微型腸道暴露於γ射線來模擬在體內發生的腸道損傷和再生,發現暴露於高劑量的輻射(8Gy)會導致幹細胞丟失和再生受損。在較低劑量(2 Gy)下,增殖的ISC迅速耗盡,腸上皮細胞破裂,隨後逐漸再上皮化,直到組織完全再生,形成新的隱窩。這些結果都表明,此生物工程有機物顯示出顯著的再生潛力。
腸道生物學和疾病模型的前景
在文章的最後,研究人員提出該方法可以應用於其他器官的幹細胞,如肺、肝或胰腺。並且這項研究在藥物發現、診斷和再生醫學方面都具有巨大潛力。
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參考資料:
[1] Nikolaev,M.,Mitrofanova,O.,Broguiere,N.et al. Homeostatic mini-intestines through scaffold-guided organoid morphogenesis. Nature 585, 574–578 (2020).
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