【赛默飞干细胞“飞”凡解读】之iPSC与类器官篇

随着干细胞技术的发展，iPSC 已成为人类疾病建模的强大工具，在靶点发现和药物开发的转化研究中展现出巨大潜力。神经退行性疾病，如阿尔兹海默症(AD)已经逐步成为危害全球的一种慢性病。因此，使用iPSC构建AD疾病模型对于研究其发病机制和开发靶向药物都具有重要意义。

然而，传统的iPSC神经疾病模型构建都只能在短时间内完成，而AD发病群体一般都为老年人。因此，如何基于iPSC开发更长时间的AD疾病模型就显得十分必要。

Fig. A high-throughput, automated human iPSC-derived neuron differentiation and culturing platform[7].

肝脏是机体调节许多生理过程的重要代谢器官，如糖原储存、脂质代谢、解毒功能等。肝脏的疾病、如肝癌、肝功能衰竭、肝代谢疾病等一直是全球排名靠前的致死性疾病。而传统的2D肝细胞体外培养无法再现体内肝细胞的结构、生理和功能特征，因此无法满足肝脏疾病建模、药物发现和器官移植领域的研究需要。

肝脏类器官的出现为解决上述问题和各类肝病研究提供了新的研究策略。

Fig.5 Mouse and Human Hepatocytes as 3D Organoids

Fig.6 Establishment of Hep-Orgs from Human Hepatocytes

经过单细胞转录组测序分析、免疫荧光检测、透射电镜检测等结果，研究人员发现该类器官可以从单个肝细胞培养而来并可稳定生长数月，同时保持了与成体肝细胞形态、细胞结构、基因表达特征和生理功能的高度一致。单个肝细胞可形成包括祖细胞和分化肝细胞群的类器官并传代数月，模拟了肝切除后的肝脏再生过程。人胚胎和成体肝细胞在体外传代后可在缺陷小鼠的肝脏中定植和增殖。 

综上，这种3D肝细胞来源的类器官模型将为阐明肝细胞再生机制、发现肝脏祖细胞标记物、揭示肝脏疾病发生机制等重要的基础研究问题提供关键技术，也为实现肝脏自体移植和个体化医疗提供了可能。

神经退行性疾病目前已成为老年人群的高风险疾病。而神经类器官则为研究神经系统类疾病提供了快捷、方便的模型。

国际著名期刊STEM CELL REPORTS一项题为《Derivation of Human Midbrain-Specific Organoids from Neuroepithelial Stem Cells》的文章中，研究人员使用N2B27培养基从神经上皮干细胞诱导分化了人类中脑类器官（hMOs），为研究神经退行性疾病（如阿尔茨海默氏症）和神经类药物开发提供了良好的体外研究模型。

Fig.7 Derivation of hMOs from Human NESCS

将四种独立的神经上皮干细胞接种于96孔板后，研究人员分别加入GSK3B抑制剂和PMA以刺激激活WNT和SHH信号通路，随后将细胞加入基质胶液滴中，2天后细胞开始分化形成hMO。

随后的10天中，研究人员观察到hMO逐渐扩大，并在20天后达到平均直径1.26 mm。同时，在27天时，研究人员观察到细胞增殖标志物Ki67的表达（早期hMOs），而在61天时，Ki67的表达显著下降（晚期hMOs）。此外，在这个过程中，研究人员还观察到神经干细胞标志物SOX2的表达比例从35%下降到18.4%。而在类器官成熟后，SOX2的表达区域也趋于固定。这些结果表明研究人员可以成功在体外建立人类中脑类器官模型。

Fig.8 Neuronal Differentiation and Self-Organization in hMOs

Fig.9 Differentiation into Glial Cells and Formation of Synaptic Connections

进一步地，研究人员通过免疫荧光染色证明了该中脑类器官还可以分化为脑胶质细胞，包括星形胶质细胞和少突胶质细胞。并通过突触染色和钙成像证明了中脑类器官可以发挥正常的神经元功能。

综上，这项研究建立了人类中脑特异性的类器官系统。这种类器官包含多巴胺能神经元和脑胶质细胞，这使得该神经元类器官具有成为研究神经退行性疾病的有效模型。

在柳叶刀发表的《1990-2017年中国及其各省死亡率、发病率和危险因素：2017年全球疾病负担系统分析》中，肺癌与肝癌一道成为我国过早死亡的前五大原因之二。因此，对于肺脏的研究同肝脏一样显得十分重要。

虽然传统体外细胞实验和动物模型已被广泛用于阐明人体肺发育、生理学和发病机制，但这些模型不能准确地再现人体肺部环境和细胞之间的相互作用。

肺类器官作为目前最接近人类肺系统的模型，为研究肺发育、功能和疾病病理学提供了强有力的工具。

在Nature cell biology上发表的一篇肺类器官研究论文中《A three-dimensional model of human lung development and disease from pluripotent stem cells》，研究人员从人类干细胞中培养建立了肺芽类器官（LBOs），该类器官包含中胚层和肺内胚层，并能够发育分化为早期肺泡和支气管。

Fig.10 Generation of lung bud organoids.

Fig.11 In vivo potential of LBOs.

研究人员进一步将该类器官移植进入免疫缺陷 NSG 小鼠肾包膜下，在1.5 个月后观察到被间充质组织包围的管状结构的生长物。通过免疫荧光检测后研究人员发现：尽管没有观察到完整的肺泡成熟表型和结构（可能由于异位位置），但该类器官包含了了异种移植后肺发育的许多基本特征，包括分支形态发生和近端规范。

进一步地，研究人员又通过呼吸道合胞病毒对肺芽类器官的功能进行了验证，结果发现肺芽类器官在感染后可以再现人类感染后相似的病理特征。并且，使用肺芽类器官还可以模拟部分的肺纤维化疾病。

综上，肺芽类器官研究不仅为肺脏类器官研究提供了参考，还为体外研究肺部感染、病理和新药开发提供了参考。

👇🏻点击阅读原文，了解更多