2019年2月7日发表于新英格兰医学杂志(New England Journal of Medicine,NEJM,IF=79)的一篇名为“Organoids — Preclinical Models of Human Disease”的综述,在102篇参考文献的基础上,汇总了当下类器官领域重要研究成果,详细阐述了类器官的发展、特点、应用及其潜力,将类器官推到了一个新的关注高度。
原文解读
1. 从成体干细胞来源的小肠类器官说起
类器官可来源于三种细胞类型:体细胞,成体干细胞(包括祖细胞),多能干细胞。其中,体细胞来源的类器官培养过程中存在较多局限性,因而文中重点讨论了两种干细胞来源的类器官。类器官培养的突破性进展是2009年Clevers教授团队证实了成体小肠中存在干细胞,并可在体外通过“自器官化”发育成小肠类器官。此后,科研工作者们对不同组织、不同培养条件的类器官培养进行了大量探索。自Sato教授利用上皮组织成功建立了小肠类器官模型后,许多重要器官的上皮组织来源类器官模型也相继建成(表1),生殖泌尿系统的类器官模型也取得了成功。相比于传统的二维细胞培养和动物模型,这种具有三维结构的体外模型避免了动物实验的复杂性,不仅更能展现其来源器官的细胞结构和行为,还能保持基因表达的稳定性,并且,结合前沿的实时成像技术,使这一模型的优点淋漓尽致地发挥出来(图1)。
表一:类器官模型总结
图一:类器官与二维细胞培养、动物模型对比
2. 多能干细胞来源的类器官
多能干细胞来源的类器官和成体干细胞来源的类器官不同,因多能干细胞可以再生并分化成任意一种细胞类型,因而如何诱导多能干细胞定向分化,是利用其建立类器官模型建成的关键。研究者们模拟胚胎发育过程的特点,为多能干细胞创造了更易生长的微环境。文中列举了许多不同类器官的研究实验,如上皮层神经类器官、脑类器官、肾类器官等,揭示了不同类器官培养条件的差异化和复杂度(图二)。有趣的是,实验发现,多能干细胞来源的类器官从祖细胞到组织特异性的上皮细胞的分化过程,需要不同胚层细胞的相互作用。这一过程不禁让人想到体内器官形成过程中,间充质细胞和内皮细胞在上皮层形成过程中的作用。将这一想法运用到复杂的类器官的构建,证实不同胚层细胞相互作用可促进“自器官化”进程。
图二:主要类器官建模及应用图表
3. 类器官的应用
类器官应用前景广阔。从疾病研究角度来看,类器官可以为组织发育、内环境稳态和发病机制的研究提供更基础、更为功能化的指导,同时,也会为疾病诊断与治疗提供一种新思路。在用药筛查方面,源于原发肿瘤的肿瘤类器官,可将基因组学数据与肿瘤生物学有效结合,用于精准预测患者个体对不同治疗方案的应答。而对于新药开发和审批,利用细胞系和动物模型进行药物毒性筛选并不能准确预测药物在人体的不良反应,类器官的出现无疑打破了传统伦理的束缚,为标准化筛选带来了福音。在基因和细胞疗法检测领域,类器官可能成为未来可靠的细胞来源之一。近日,美国食品药品监督管理局(FDA)开始利用三维“肝脏芯片”类器官模型来检测食品添加剂、营养补充剂和化妆品的肝脏毒性。但这种方法还需更多的研究,来进一步证实其安全性和有效性。
4. 类器官的未来
尽管目前类器官研究方面已取得部分进展,但该领域仍面临诸多挑战。随着生物工程技术的快速发展,更完整的结构和更标准的流程将逐步成为现实。
二、关于文章的思考:从科研走向临床
其实关于类器官的最新进展和汇总展望,近年在各个国际顶级期刊上已有许多文章发表。例如,2015年发表于Nature Review Cancer上的名为“Precision medicine for cancer with next-generation functional diagnostics”的综述,从精准医学角度探讨了各类肿瘤模型的优缺点;2018年发表于Nature Reviews Genetics上名为“Progress and potential in organoid research”的综述的作者,从上百篇文章的科研成果出发,对未来类器官领域的发展做出切实可行的设想。如果说2018年初,类器官被Nature Methods评为2017年年度技术,标志着科研领域的聚焦与肯定,那么,这篇NEJM上的重磅综述则意味着更多医学专家的认可和人们对可及未来的临床方面应用的强烈关注。科途医学作为类器官临床应用的倡导者和开拓者,深知任重而道远。我们将致力于肿瘤类器官技术研发与临床转化,以提高中国肿瘤患者实际临床获益为目标,在人类征服癌症疾病的艰难路途中,脚踏实地,砥砺向前。
原文:
Li, Mo, and Juan C. Izpisua Belmonte. "Organoids—Preclinical Models of Human Disease." New England Journal of Medicine 380.6 (2019): 569-579.
