這項(xiàng)研究在藥物發(fā)現(xiàn)、診斷和再生醫(yī)學(xué)方面都具有巨大潛力。

隨著生命科學(xué)的發(fā)展，人類已經(jīng)攻克各種疾病，也不僅僅滿足于在動(dòng)物模型上試驗(yàn)。復(fù)制和重建人類器官成為科學(xué)家們迫切希望實(shí)現(xiàn)的事情。于是，類器官誕生了。所謂類器官就是有組織結(jié)構(gòu)的3D器官模型，它來自于人胚胎干細(xì)胞或誘導(dǎo)多潛能性干細(xì)胞，是一種高度未分化細(xì)胞，具有發(fā)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，如來源于腸道干細(xì)胞的類器官，在組織和疾病生物學(xué)建模方面有很大潛力。然而，目前用于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(xué)院Matthias P. Lutolf小組在《Nature》雜志上在線發(fā)表了題為“Homeostaticmini-intestines through scaffold-guided organoid morphogenesis”的文章，通過支架引導(dǎo)產(chǎn)生類器官形態(tài)發(fā)生，實(shí)現(xiàn)迷你小腸的構(gòu)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(jié)構(gòu)的形態(tài)，研究人員制作了一種可滲透氣體、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和大分子的支架，這是一個(gè)足夠強(qiáng)大的物理屏障，可以通過腸干細(xì)胞（ISCs）的增殖和分化，限制ISCs的生長(zhǎng)使其呈現(xiàn)出預(yù)定的形狀。之后在小鼠模型上進(jìn)行驗(yàn)證，研究人員將水凝膠（I型膠原和基質(zhì)凝膠）合成物放在一個(gè)可灌注的平臺(tái)上，以產(chǎn)生一個(gè)混合微芯片系統(tǒng)，該裝置具有一個(gè)用于水凝膠裝載和類器官培養(yǎng)的中央腔室，兩側(cè)有一對(duì)（入口和出口）儲(chǔ)液罐，用于裝載細(xì)胞和管腔灌注，并且通過水凝膠向組織基底側(cè)提供介質(zhì)和生長(zhǎng)因子。

管狀微型腸道長(zhǎng)期穩(wěn)態(tài)培養(yǎng)的建立

結(jié)果表明，原代小鼠膽管細(xì)胞或來自小腸的原代人類干細(xì)胞可以定植于管狀支架，產(chǎn)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于從原始干細(xì)胞構(gòu)建開放的上皮，其解剖結(jié)構(gòu)與體內(nèi)相似。

理論上，用穩(wěn)定的組織來建立傳統(tǒng)的上皮類器官幾乎是可以無限期地繁殖的，但在這些系統(tǒng)中的長(zhǎng)期培養(yǎng)需要連續(xù)傳代，需要每隔幾天將類器官分解成碎片或分散的單個(gè)細(xì)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(xì)胞數(shù)周的可能性，發(fā)現(xiàn)每隔12小時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)的類器官培養(yǎng)基甚至無生長(zhǎng)因子的培養(yǎng)基來灌注管腔，可以清除類器官管中的死細(xì)胞，組織的壽命可延長(zhǎng)至一個(gè)月或更長(zhǎng)，從而保存小鼠模型的整體組織解剖。

接下來，研究人員測(cè)試了誘導(dǎo)分化對(duì)ISC來源的上皮細(xì)胞的影響，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞增殖明顯的區(qū)域很大程度上局限于隱窩區(qū)域，腸內(nèi)分泌細(xì)胞和杯狀細(xì)胞幾乎只出現(xiàn)在輸卵管的中央?yún)^(qū)域，與絨毛狀區(qū)域相對(duì)應(yīng)。另外，研究人員還證實(shí)了空間限制性水凝膠支架促進(jìn)了ISCs形成功能性腸上皮，表現(xiàn)出與體內(nèi)類似的隱窩和絨毛樣結(jié)構(gòu)域的空間排列。

具有代表性的7天齡迷你腸管的熒光共聚焦圖像

隨后，研究人員將微型腸道暴露于γ射線來模擬在體內(nèi)發(fā)生的腸道損傷和再生，發(fā)現(xiàn)暴露于高劑量的輻射（8Gy）會(huì)導(dǎo)致干細(xì)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(xì)胞破裂，隨后逐漸再上皮化，直到組織完全再生，形成新的隱窩。這些結(jié)果都表明，此生物工程有機(jī)物顯示出顯著的再生潛力。

腸道生物學(xué)和疾病模型的前景

在文章的最后，研究人員提出該方法可以應(yīng)用于其他器官的干細(xì)胞，如肺、肝或胰腺。并且這項(xiàng)研究在藥物發(fā)現(xiàn)、診斷和再生醫(yī)學(xué)方面都具有巨大潛力。

參考資料：

Nikolaev,M.,Mitrofanova,O.,Broguiere,N.et al. Homeostatic mini-intestines through scaffold-guided organoid morphogenesis. Nature 585, 574–578 (2020).

[來源：生物探索網(wǎng)] 再生醫(yī)學(xué)