类器官系列知识(XV)-内分泌系统类器官构建和研究应用- 大数跨境

首页

类器官系列知识(XV)-内分泌系统类器官构建和研究应用

一米生物

2023-11-30

导读：我们将分多期内容分享传递更新类器官相关内容,建议收藏!

内分泌系统类器官——胰岛

背景

胰岛（pancreatic islets）是胰的内分泌部分，是许多大小不等和形状不定的细胞团，散布在胰的各处，胰岛能分泌胰岛素与胰高血糖素等激素。人类的胰岛细胞按其染色和形态学特点，主要分为A细胞、B细胞、D细胞及PP细胞。当胰岛出现功能障碍时，机体会出现相应的内分泌疾病，如当胰岛素分泌绝对或相对不足时引起的糖尿病，以及因激素刺激造成的细胞功能衰竭等。

人体胰岛结构

胰岛类器官的构建

随着以糖尿病为代表的胰岛疾病的患病率相继升高，寻求糖尿病等疾病的快速治疗方法成为了目前疾病治疗的主要任务之一，传统的实验材料多数为动物载体或体外细胞，其生理反应与人体相差甚远，胰岛类器官可解决器官移植供者来源稀少的问题，是治疗糖尿病的潜在方法，也是类器官领域研究的热点。

1978年，Goodman等^[1]首次培养出鸡血管壁类器官。经过40多年的发展，类器官的研究技术日益趋向成熟。胰岛类器官最早由Montesano等^[2]于1983年通过分离大鼠胰腺分泌细胞，在体外重新结合形成。2018年，Candiello等^[3]证实可通过诱导人类ESC(human ESC，hESC)产生分泌胰岛素的胰岛样细胞。目前胰岛类器官的研究取得了长足的进步。

大鼠胰腺细胞体外培养5天^[2]

胰岛类器官形成过程^[3]

胰岛类器官的来源及功能

hPSC来源的胰岛类器官

2014年，Pagliuca等^[4]将hPSC衍生的β细胞移植到糖尿病小鼠的肾囊下，发现移植了β细胞的小鼠空腹血糖相较于对照组小鼠血糖水平逐渐升高，表明hPSC衍生的β细胞可降低糖尿病小鼠的血糖。

2015年，Russ等^[5]用hPSC衍生出胰十二指肠同源盒1(Pdx1)+和Pdx1+/NK6同源盒1(NKX6.1)+的胰腺祖细胞群，其在体外可产生葡萄糖反应性β样细胞。表明hPSC衍生的β样细胞对糖尿病小鼠的短期血糖控制具有一定的效果，但随着时间的增加，糖尿病小鼠的血糖水平逐渐上升。

2020年，Hogrebe等^[6]在体外将hPSC诱导出能产生胰岛素的β样细胞，其功能特性与胰岛β细胞相似，能显著改善体内和体外功能，发现其可维持正常血糖水平至少36周。

hPSC来源胰岛类器官免疫染色图^[6]

hESC来源的胰岛类器官

2007年，Jiang等^[7]将hESC诱导成能产生胰岛素的β细胞，发现其可表达如Pdx1、胰岛素、C肽等胰岛特定基因，将这些β细胞移植到糖尿病裸鼠后，30%的裸鼠表现出明显的血糖水平下降，且可维持6周以上。

2015年，Shim等^[8^]将hESC诱导成胰腺内分泌细胞，随后使用STZ（链左尿霉素）诱导雄性裸鼠建立糖尿病模型，将胰腺内分泌细胞通过肾囊注射的方式移植到裸鼠体内，结果表明来源于hESC的胰腺内分泌细胞可改善糖尿病裸鼠的血糖水平。

2016年，Vegas等^[9]诱导hESC产生了成熟的β细胞，将其移植到STZ诱导的糖尿病小鼠腹腔内，发现其可调节糖尿病小鼠的血糖，且可维持小鼠正常血糖水平超过70天。

hESC来源胰岛类器官亮场图^[9]

iPSC来源的胰岛类器官

由于目前ESC在临床上的应用受到伦理道德限制，而具有特定基因型的iPSC在药物研究等方面比ESC更具吸引力，使得iPSC成为能无限分泌胰岛素的重要细胞来源。

2013年，Wang等^[10]将小鼠胚胎成纤维细胞通过慢病毒转染的方式重编程为iPSC，再将iPSC诱导分化为胰岛样细胞，随后将胰岛样细胞移植到STZ诱导的糖尿病小鼠的肝左叶，6至7天后小鼠的胰岛素分泌和血糖水平逐渐正常化，表明iPSC衍生的胰岛样细胞具有逆转高血糖的能力。

2015年，Raikwar等^[11]首先利用激活素A使人iPSC衍生出内胚层，在视黄醇和角质细胞生长因子(KGF)的作用下产生表达Pdx1的胰腺内胚层细胞，随后产生内分泌祖细胞，最后内分泌祖细胞自发地产生胰岛样细胞簇。将胰岛样细胞移植到STZ诱导糖尿病小鼠肾囊下，定期监测小鼠空腹血糖，结果发现小鼠血糖水平显著下降。

2023年，Heaton ES等人通过对脱细胞胰腺 ECM (dpECM)衍生胶原的生物信息学分析，鉴定了 WWASKS COL5的一个生物活性肽结构域。第一次证明了一个 ECM 衍生的肽决定 iPSC 产生内分泌祖细胞和随后的胰岛类器官^[12]。

iPSC衍生的胰腺祖细胞荧光染色^[12]

除上述方法外，胰岛类器官还可以由共培养和基因重组形成。近年来，胰岛类器官发展迅猛，在疾病治疗方面取得了诸多成就。胰岛类器官被广泛用于药物敏感度测试中，使糖尿病特异性药物得以飞速发展。

在胰岛类器官与胰岛研究相关领域中，仍存在很多未知机制值得继续深入探索。

点击了解各种细胞因子Growth Factors

点击了解类器官培养基质胶OrgrowGel™ Matrix

点击了解iPSCs培养基StemFit（临床级&科研级）

参考文献

向上滑动阅览

[1] GOODMAN KCL. Organoid culture of the blood-vessel wall[J]. TCA Manual, 1978, 4(4): 929-931.

[2] Montesano R, Mouron P, Amherdt M, Orci L. Collagen matrix promotes reorganization of pancreatic endocrine cell monolayers into islet-like organoids. J Cell Biol. 1983 Sep;97(3):935-9. doi: 10.1083/jcb.97.3.935.

[3] Candiello J, Grandhi TSP, et al. 3D heterogeneous islet organoid generation from human embryonic stem cells using a novel engineered hydrogel platform. Biomaterials. 2018 Sep;177:27-39. doi:10.1016/j.biomaterials.2018.05.031.

[4] Pagliuca FW, Millman JR, et al. Generation of functional human pancreatic β cells in vitro. Cell. 2014 Oct 9;159(2):428-39. doi: 10.1016/j.cell.2014.09.040.

[5] Russ HA, Parent AV, et al. Controlled induction of human pancreatic progenitors produces functional beta-like cells in vitro. EMBO J. 2015 Jul 2;34(13):1759-72. doi: 10.15252/embj.201591058. Epub 2015 Apr 23.

[6] Hogrebe NJ, Augsornworawat P, et al. Targeting the cytoskeleton to direct pancreatic differentiation of human pluripotent stem cells. Nat Biotechnol. 2020 Apr;38(4):460-470. doi: 10.1038/s41587-020-0430-6.

[7] Jiang W, Shi Y,et al. In vitro derivation of functional insulin-producing cells from human embryonic stem cells. Cell Res. 2007 Apr;17(4):333-44. doi: 10.1038/cr.2007.28.

[8] Shim JH, Kim J, et al. Pancreatic Islet-Like Three-Dimensional Aggregates Derived From Human Embryonic Stem Cells Ameliorate Hyperglycemia in Streptozotocin-Induced Diabetic Mice. Cell Transplant. 2015;24(10):2155-68. doi: 10.3727/096368914X685438.

[9] Vegas AJ, Veiseh O, et al. Long-term glycemic control using polymer-encapsulated human stem cell-derived beta cells in immune-competent mice. Nat Med. 2016 Mar;22(3):306-11. doi: 10.1038/nm.4030.

[10] Wang L, Huang Y,et al. Differentiation of iPSCs into insulin-producing cells via adenoviral transfection of PDX-1, NeuroD1 and MafA. Diabetes Res Clin Pract. 2014 Jun;104(3):383-92. doi: 10.1016/j.diabres.2014.03.017.

[11] Raikwar SP, Kim EM, et al. Human iPS cell-derived insulin producing cells form vascularized organoids under the kidney capsules of diabetic mice. PLoS One. 2015 Jan 28;10(1):e0116582. doi: 10.1371/journal.pone.0116582.

[12] Heaton ES, Hu M, et al. Extracellular matrix-derived peptide stimulates the generation of endocrine progenitors and islet organoids from iPSCs. J Tissue Eng. 2023 Jul 8;14:20417314231185858. doi: 10.1177/20417314231185858.

公司简介

向上滑动阅览

一米生物创立于2017年，是一家核心发展基因细胞治疗(GCT)、干细胞转化医学、类器官和分子诊断等技术，以及开发生物样本采集与保存的国家级高新技术企业。公司目前总面积1万多平，建有GMP净化车间，并通过了南德TÜV以及ISO13485质量体系认证。一米生物系领因上海的全资子公司。

公司重视人才和关键技术的发展和储备，立足于为客户需求开发产品并将解决方案做到极致的信念。研发生产的众多产品已获得国内医疗器械备案及注册证，欧盟CE认证和美国FDA备案，其中一体式唾液采集器荣获中国和美国发明专利授权。除国内市场外，公司业务已覆盖美国、英国、澳大利亚、日本、韩国等海外市场，面向全球范围提供产品与服务。

公司建立以来，坚持践行诚信、合作、勇于突破的理念，获得诸多第三方检验所、CGT工业、科研院所等行业顶层客户的信任与合作。

一米生物深耕生命科学研究与诊断技术领域，致力于为人类健康防治和疾病精准诊断的发展服务。