类器官培养，2020的科研界潮范儿~快来撩起来- 大数跨境

类器官培养，2020的科研界潮范儿~快来撩起来

基因快讯

2020-08-05

导读：跟细胞大会一起来探索：类器官在生理功能探索、疾病发生研究和精准医疗中的作用。

类器官小历史

我们已经进入21世纪的第二个十年了。此刻，如果让我们把时间轴拉回到120年前，那时 “组织培养（tissue culture）”作为一个新兴的方法才刚诞生，当时的科学家们为了避免因正常生命机体内部的自体调节或者实验应激引起的机体整体因素影响，取以未离散的组织小块进行体外培养，这种方法维系了近50年之久。

直到上世纪后半叶，体外分散性细胞培养的技术逐渐趋于成熟，并且逐渐衍生发展出新的方法，比如3D细胞培养。

在1965~1985年代，出现了最早的“类器官”模型，但是当时由于早期的类器官模型需要大量起始细胞，通量低，体外活力低，因此应用价值有限。

如今时光已跨越百年，随着多能干细胞分离、体外3D细胞培养等技术的完善和瓶颈突破，类器官技术在近10年来出现蓬勃发展。

图1.PubMed搜索“Organoids”，体现出类器官在2014年后开始“复兴” 图片来源：Cell 165, June 16, 2016

正式介绍类器官

究竟什么是类器官（Organoids）？我们在Google学术检索关键词“Organoids”，打开引用频次最高的一篇2016年发表的Cell综述，类器官研究的鼻祖大牛Hans Clevers 博士定义了类器官的重要特征：

干细胞来源，包含组织特异性细胞

具有一定原器官功能的3D结构

细胞的组织方式与原器官相似

形成类器官的干细胞主要有两种来源，一种是胚胎多潜能干细胞（ES）及其而来的诱导多能干细胞（iPS）；另一种则是具有器官限制性的成体干细胞（aSC）。

目前，已经陆续报道了多种体外类器官模型，例如胃肠道类器官、脑类器官、肝脏类器官等。

图2.PSCs来源的类器官种类及其相关发育调控信号通路。图片来源：Cell 165, June 16, 2016

类器官广泛的应用前景

1，研究建立各种新型的、特异性的类器官，构建类器官生物芯片

作为一项重大的技术突破，类器官是目前公认的生物研究重要工具，因此不断有新的类器官平台建立，如乳腺癌类器官样品库，具有高度模拟人体的脑结构类器官等。

图3是上海东方肝胆外科医院肝脏移植重点实验室构建的肝芽类器官的荧光成像：

图3：体外培养的肝脏初生组织-肝芽。

使用三种细胞共培养，其中两种细胞分别表达EGFP及mCherry荧光蛋白（LionheartFX拍摄）

此外类器官培养和现在的生物材料学等技术联合应用，还发展出“器官芯片”技术，通过微流控芯片平台，可以精细调节芯片内的理化参数，使其模拟真实器官系统活动、力学特征和生理反应，目前已有报道的器官芯片有心脏芯片、人眼芯片、胎盘芯片、肿瘤芯片等。

2019年，来自美国Georgia Tech的研究团队开发了一种新型的人类骨髓（hBW）类器官芯片，经过精心设计，这个芯片能够模拟骨内膜、中央骨髓及外围血管三种微环境，相关结果同年12月发表在冷泉港实验室运维的BioRxiv上。

图4：人骨髓类器官芯片的构建示意图。

https://doi.org/10.1101/2019.12.15.876813

文中采用了多种成像方法检测了MSCs向成骨细胞的分化、细胞存活率，并且三种细胞微环境的表型，比如下图使用LionheartFX的相差成像及荧光成像定量分析芯片构建过程中MSCs的细胞存活条件及血管发生（图5所示）。

图5：上A：LionheartFX相差模式对MSC细胞成像并定量计数，下A：采用绿色荧光成像拍摄绿色荧光鬼笔环肽标记的内皮细胞形成血管结构。

2，以类器官为模型，研究疾病的特异性致病机制

体外类器官模型由于自带原器官的相应功能，还可以用于疾病致病机制、相关信号通路的研究。

目前，全球有超过100多家实验室正在利用不同类型的类器官，研究癌症和其他疾病。比如肠道类器官在3D结构中培养，其能够模拟原始肠道组织的功能，在研究遗传性疾病、感染性疾病和肿瘤中有着广阔的应用前景。

肠道类器官球型结构液体分泌实验（Enterosphere-based fluid secretion assay）可用于评价CTFR基因功能，CTFR基因过度活化可导致腹泻，在肠道类器官上的表型变化是结构膨胀，囊泡面积变大。

辛辛那提儿童医学中心的研究团队通过体外肠道类器官模型，研究发现AC6作为重要的腺苷环化酶家族参与霍乱毒素导致的机体严重腹泻。

图6：使用BioTek的成像系统拍摄微孔板内肠道类器官，并通过定量分析类器官的面积评价Adcy6基因缺陷在药物作用下的球形结构变化。J. Biol. Chem. (2018) 293(33) 12949–12959

缺氧及其相关调控机制是这两年的热点问题，大家都知道缺氧有助于肿瘤的发展，然而绝大多数关于缺氧调控基因表达的研究都是在体外使用与正常空气相同的氧气浓度来培养肿瘤细胞，然后再将细胞短时间暴露于1%的氧气中，这显然存在极大的局限性，因此类器官作为体外具备“独立功能”的3D结构，能够更好的作为该研究领域的模型体系。

近期，约翰·霍普金斯大学的研究人员建立并阐明了一种可应用于解决癌症研究、胚胎发育以及受缺氧严重影响的病理等广泛生物学问题的缺氧命运图谱系统（Fate-mapping system），并分别在2D细胞、3D细胞球、肿瘤类器官结构上验证了该图谱系统能够表征癌症发展到转移过程中缺氧细胞的命运，证明缺氧后细胞转移潜能增强，其结果发表在Nature communications杂志（NATURE COMMUNICATIONS | (2019) 10:4862）。文中多次使用BioTek的成像设备（Cytation5 &LionheartFX）对2D，3D及类器官结构进行成像，涉及应用包括活细胞动态监测、3D细胞球侵袭实验、组织免疫荧光、细胞计数等。

图7：正常氧气浓度培养和低氧培养条件下，Fate-mapping system指示乳腺肿瘤类器官内的缺氧情况（细胞缺氧时，红色荧光报告蛋白（DsRed）表达关闭，绿色荧光蛋白（GFP）开启表达并永久标记。）

3，基于类器官的体外高通量药物筛选及精准治疗

新药研发周期漫长，投入成本巨大，采用类器官代替传统的贴壁细胞开展高通量筛选，能够极大提高靶标候选药物进入后期实验的有效性。此外，由于肿瘤具有极高的异质性，同样的药物在不同的患者中药物敏感性、耐药周期差异巨大，通过建立肿瘤患者的类器官样本库，能够在体外快速有效的实施精准肿瘤药物测试。

来自美国凯斯西储大学的研究团队，Craig Hodges博士及其团队开发了可在1536孔板内培养的肠道类器官，用于筛选靶向CFTR基因的抗囊性纤维化的药物。BioTek的成像系统能够支持1536孔板的自动化成像、活细胞培养及肠道类器官膨胀分析等功能，极大支持了他们开展相关的筛选工作。

图8：Case Western Reserve University, Schoolof Medicine

Craig Hodges 博士(右侧) 和他的研究生 DanielMcHugh （左侧）使用BioTek的 Lionheart™ FX自动化显微镜用于高通量筛选CFTR基因调节化合物

此外国内目前也有诸多企业也搭建了类器官药物筛选及测试平台，如上海易对医生物科技有限公司、广州创芯国际生物科技有限公司等。

BioTek为大家提供超性价比的类器官分析检测平台

以上我们从多个角度展示了当下类器官的研究应用热点，从各方大牛的实验结果中我们发现，BioTek的成像设备和图像分析软件自带的优秀品质在类器官的应用中可以大施拳脚：

优秀的Z-stack功能，非常适宜具备3D结构的类器官成像

图片展示96孔板基质胶中培养的3D结构的肿瘤类器官，使用Cytation5的Z轴层切功能观察

活细胞检测功能，适合形态变化明显的类器官模型

视频展示了LHFX活体培养下的肠道类器官CFTR基因激活后迅速膨胀

简单实用的图像定量分析

自动6~1536孔板成像，助力类器官高通量筛选

1536孔板整板自动成像~就是这个功能迷倒了Craig Hodges 博士哟

此外，上文中提到的开展类器官相关研究的血管生成实验、细胞计数、细胞免疫荧光等等更是不在话下。2020年了，这个时代，类器官培养赶紧做起来~~~想了解更多？欢迎后台来撩~~或者扫描下方二维码联系我们的产品经理了解更多内容~