Nature:科学家在体外成功构建迷你小肠,具有显著的再生能力

2020
09/30

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张佳兴 /  生物探索
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瑞士洛桑理工学院小组在《Nature》杂志上在线发表文章,通过支架引导产生类器官形态发生,实现迷你小肠的构建。

随着生命科学的发展,人类已经攻克各种疾病,也不仅仅满足于在动物模型上试验。复制和重建人类器官成为科学家们迫切希望实现的事情。于是,类器官诞生了。所谓类器官就是有组织结构的3D器官模型,它来自于人胚胎干细胞或诱导多潜能性干细胞,是一种高度未分化细胞,具有发育的全能性,能分化出成体人类的所有组织和器官。

上皮类器官,如来源于肠道干细胞的类器官,在组织和疾病生物学建模方面有很大潜力。然而,目前用于在三维矩阵中获得这些类器官的方法仍有各种局限性。

近日,瑞士洛桑理工学院Matthias P. Lutolf小组在《Nature》杂志上在线发表了题为“Homeostaticmini-intestines through scaffold-guided organoid morphogenesis”的文章,通过支架引导产生类器官形态发生,实现迷你小肠的构建。

DOI: 10.1038/s41586-020-2724-8

为了使肠类器官塑造出其特有的隐窝和绒毛结构的形态,研究人员制作了一种可渗透气体、营养物质和大分子的支架,这是一个足够强大的物理屏障,可以通过肠干细胞(ISCs)的增殖和分化,限制ISCs的生长使其呈现出预定的形状。之后在小鼠模型上进行验证,研究人员将水凝胶(I型胶原和基质凝胶)合成物放在一个可灌注的平台上,以产生一个混合微芯片系统,该装置具有一个用于水凝胶装载和类器官培养的中央腔室,两侧有一对(入口和出口)储液罐,用于装载细胞和管腔灌注,并且通过水凝胶向组织基底侧提供介质和生长因子。

管状微型肠道长期稳态培养的建立

结果表明,原代小鼠胆管细胞或来自小肠的原代人类干细胞可以定植于管状支架,产生了连贯、紧密且可灌流的上皮组织。这就表明,一种模拟基底膜的支架可以用于从原始干细胞构建开放的上皮,其解剖结构与体内相似。

理论上,用稳定的组织来建立传统的上皮类器官几乎是可以无限期地繁殖的,但在这些系统中的长期培养需要连续传代,需要每隔几天将类器官分解成碎片或分散的单个细胞。所以研究人员探讨了在不传代的情况下维持肠小管上皮细胞数周的可能性,发现每隔12小时用标准的类器官培养基甚至无生长因子的培养基来灌注管腔,可以清除类器官管中的死细胞,组织的寿命可延长至一个月或更长,从而保存小鼠模型的整体组织解剖。

接下来,研究人员测试了诱导分化对ISC来源的上皮细胞的影响,发现细胞增殖明显的区域很大程度上局限于隐窝区域,肠内分泌细胞和杯状细胞几乎只出现在输卵管的中央区域,与绒毛状区域相对应。另外,研究人员还证实了空间限制性水凝胶支架促进了ISCs形成功能性肠上皮,表现出与体内类似的隐窝和绒毛样结构域的空间排列。

具有代表性的7天龄迷你肠管的荧光共聚焦图像

随后,研究人员将微型肠道暴露于γ射线来模拟在体内发生的肠道损伤和再生,发现暴露于高剂量的辐射(8Gy)会导致干细胞丢失和再生受损。在较低剂量(2 Gy)下,增殖的ISC迅速耗尽,肠上皮细胞破裂,随后逐渐再上皮化,直到组织完全再生,形成新的隐窝。这些结果都表明,此生物工程有机物显示出显著的再生潜力。

肠道生物学和疾病模型的前景

在文章的最后,研究人员提出该方法可以应用于其他器官的干细胞,如肺、肝或胰腺。并且这项研究在药物发现、诊断和再生医学方面都具有巨大潜力。

参考资料:

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

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关键词:
器官,干细胞,小肠

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