3D细胞培养：类器官会为疾病建模增添新的维度吗？

药物开发是一个漫长的过程，失败率很高，这已经不是什么秘密了。超过90％的候选药物失败了 - 这仅仅是将其进入I期临床试验的候选人。由于缺乏临床功效或难以控制的毒性，人类的另外70-80％的损失。¹在临床测试之前，研究人员依靠在疾病模型（例如细胞系和）中测试候选药物动物模型。

这两个模型之间的知识差距很大。动物模型被吹捧为临床前测试的黄金标准，但它们受到物种障碍的限制 - 人类与这些模型之间的生理和疾病表现的变化以及免疫系统和治疗反应的差异。²他们还昂贵且耗时繁殖和验证，³特别是对于新疾病的适应症。尽管这些模型提供了彻底的系统级分析，但它们根本没有反映人类的生物学。

细胞系，几十年前从患者细胞中有争议的一些有争议的人，⁴更实惠。然而，这些二维（2D）组织培养物对细胞在体内的行为没有代表性。细胞系通常用作临床前研究的廉价，快速的选择，但会受到遗传漂移 - 随着时间的推移累积基因突变 - 可能导致验证问题。⁵

三维干细胞培养物的新兴领域（通常称为器官）可能能够涵盖这些标准临床前疾病模型的某些缺点，从而使科学家能够研究更深入的研究问题。本文探讨了器官的世界，其益处和局限性以及它们在疾病建模的未来中可能发挥作用。

类器官的概述

器官是三维（3D）体外由患者或供体衍生的干细胞产生的细胞培养物。它们根据靶类构型类型进行自组织和区分，类似于“迷你器官”。虽然器官生物学反映了原始组织，但类器官并未复制其物理解剖结构，类器官通常也不具有在感兴趣的组织以外的患者或供体中存在的细胞，例如免疫细胞或血管组织。

“类器官”一词已经描述了3D细胞培养物，这些细胞培养物会自组织成与干细胞不同的组织。第一张类器官纸发表于2008年，当时是由胚胎干细胞产生的皮质神经元并自组织成具有不同区域的皮质组织。⁶很快，随后是由多肠肠成年干细胞（ASC）产生的肠道类器官，为创建患者衍生的器官铺平了道路。⁷从那时起，已经创建了包括肺，肝脏，脑和胰腺在内的各种其他组织的类器官。⁸

制作器官依靠脚手架来帮助干细胞在没有人体结缔组织的情况下组织起来。诺丁汉大学医学院的肠杆关和研究员的专家尼古拉斯·金克斯（Nicholas Jinks）博士解释说：“由于它们是三维模型，因此他们需要身体上的身体支持，就像您身体其余部分一样。如果您尝试在没有支持的情况下发展一个三维模型，那么它根本就无法发展和死亡。”

器官还非常脆弱，高度依赖于生长因子和培养条件的精确鸡尾酒，以最大程度地减少压力并保持其传播的能力。

“您还有很多因素来控制它们的扩散，从某种意义上说，由于这些是干细胞，因此预计它们将以非常准确的方式无休止地扩散。该茎性必须在器官培养物中控制和促进，因为重点是生长它们。如果我们无法制造更多的产品，则该模型只有非常有限的用途。” Jinks解释说。

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干细胞在制作类器官中的作用

干细胞是类器官的组成部分。这些可以像原始类器官中一样是患者衍生的ASC，也可以是从健康供体或患者本身衍生的多能干细胞（IPSC）。一旦获得干细胞，它们就会通过将其暴露于特定生长因子中，将它们分化为正确的组织。一旦分化，这些细胞就会嵌入3D结构中。

必须精确触发干细胞分化为靶细胞类型，并且某些组织比其他组织更适合分化。诺丁汉大学医学院的研究员Sara CuevasOcaña博士使用IPSCS的研究研究员，他的工作着重于肺部。她描述了将这些细胞诱使正确分化的困难性质。

“当您想复制内胚层时，即身体的内部，模仿胚胎发育过程时，您需要仔细定制生长因子的浓度并严格调整提供给细胞的信号。否则，细胞遵循自己的本性，朝着其他器官，例如肠道，肝脏或胰腺。从字面上看，您总是必须将细胞引导到我们的情况下，通往肺。”

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器官和基因组操纵

患者的遗传背景在特定疾病中起重要作用。在患者来源的类器官中，这种背景是在器官中编码的，遗传修饰工具可以帮助研究人员揭示遗传学在某些疾病中如何扮演隐藏的角色，就像Ocaña博士当前关于特发性肺纤维化的研究一样。

“我们的患者样品已重新编程为诱导多能干细胞，然后分化为肺类器官。我们正在尝试发现遗传学在发展这种毁灭性疾病中是否有任何影响，并且我们是否可以预测，某些遗传特征会使患者在以后的生活中遭受这种疾病，”Ocaña说。

遗传操纵为创建新型单基因疾病的新模型打开了大门。Ocaña先前已经研究了这些单基因疾病之一的模型 - 囊性纤维化，一种使人衰弱的肺部疾病。

“该基因中有太多的突变都可以导致囊性纤维化。囊性纤维化器官在制作第一个类器官后不久就会出现。拥有正确的培养条件，因为您一次只使用一个基因玩耍，所以我们可以在实验室中生成类器官，以概括患者特定症状。”她说。

这些模型比动物模型更快地产生，并且由于它们是患者衍生的，因此更特定于测试治疗剂。

填补2D和体内疾病模型

当前的细胞系模型与动物模型之间的差距非常大。但是，器官可能会提供两种类型的疾病模型的优势。

“类器官在生物化学，药物研究和遗传建模方面具有独特的位置，因为您可以直接从患者（尤其是来自患有著名遗传疾病的患者）中得出它们，然后精确地在实验室中种植它们，所以这些器官将会在实验室中生长，因此这些器官会将准确反映患者的药物或基因组异常。它们非常有用，可以填补我们研究方法中的这一巨大差距。” Jinks说。

除了目标发现和疾病研究之外，这些模型可能对新药的临床前测试有用，甚至可以确定当前患者的最佳治疗方法。

“假设地，如果我从患者的结直肠癌细胞中种植肠癌，我可以在实验室中种植大量此类患者衍生的类器官，然后用50种不同的化学治疗药物治疗它们。无论哪种化学治疗剂在器官中产生最佳效果，可能在患者中具有相似的结果。So, instead of an oncologist treating the patient with all of these different chemotherapeutics where the responses can’t be accurately predicted, I can simply grow the organoids, figure out which 10 drugs are most likely to work, and say to the oncologist don't worry about those other ones, start with these,” says Jinks.

针对囊性纤维化的类器官的开创性工作已经加快了治疗研究 - 突破已经在使用这些细胞工具开发治疗选择中。在患者衍生的类器官中进行测试时，一类称为CFTR调节剂的新药物确定哪种药物组合最适合单个患者，而无需进行冗长的动物模型测试。⁹

“这是类型器类型的情况之一，它是我们如何对待患者以及如何进行新的临床试验的一场彻底革命。通过动物模型，所有这些研究都是不可能的，因为这将需要更多的资源和时间。他们不会及时到达患者。”Ocaña博士说。

3D细胞培养物是疾病建模的未来吗？

Organoid模型似乎比简单的2D提供了更多实用和有价值的见解信息体外细胞培养物，在最好的情况下，甚至可以替代某些成本高昂或耗时的动物模型来诊断和治疗目的。但是这项技术面临着自己的挑战。产生类器官取决于实验室之间并不总是标准化的许多精致步骤，并且在如何解决这个方面似乎几乎没有达成共识。

“无论我们是否应成为标准化系统的地步，都可以使每个人都使用完全相同的条件，或者不允许这种可变性是否会停止或阻止进一步发展并可能达到更好的条件[仍在争论中]在现场，”奥卡尼亚说。

然而，即使器官模型无法复制动物系统，它们也可能在疾病建模工具包中占有一席之地。

“这确实取决于研究问题。3D细胞培养使您可以以比2D培养更好地代表人类生理的方式捕获不同的细胞类型。如果我们比较体内动物模型，这是一种补充工具。尽管我们想模仿体内发生的事情，尽管该领域的进步非常有前途，但例如，类器官在例如毒理学方面并没有复制整个动物的复杂性，”Ocaña补充说。

在一个生物学变得越来越多学科的时代（重叠机器学习，基因组学和数据科学领域），类器官作为疾病建模的补充支柱的愿景可能彻底改变了研究人员对研究人员了解和治疗复杂疾病适应症的方式人类。

参考

1. sUn D，Gao W，Hu W，ZhouS。为什么90％的临床药物发育失败以及如何改善？Acta Pharmaceutica Sinica b。2022;在新闻。doi：10.1016/j.apsb.2022.02.002。

2。Pound P，Ram R.由于中风领域的临床翻译不良，研究人员是否会离开动物模型？意见论文的分析。BMJ Open Sci。2020; 4：E100041。doi：10.1136/bmjos-2019-100041。

3。Denayer T，StöhrT，Van Roy M.转化医学中的动物模型：验证和预测。New Horiz Trans Trans Med。2014; 2（1）：5-11。doi：10.1016/j.nhtm.2014.08.001。

4。beskow lm。Hela细胞的经验教训：生物测量的伦理和政策。Annu Rev Genomics Hum Genet。2016; 17：395–417。doi：10.1146/annurev-genom-083115-022536。

5。Ben-David U，Siranosian B，Ha G.等。遗传和转录进化改变了癌细胞系药物反应。自然。2018; 560：325–330。doi：10.1038/S41586-018-0409-3。

6。Eiraku M，Watanabe K，Matsuo-Takasaki M，等。从ESC进行了极化皮层组织的自组织形成及其通过外部信号的主动操作。细胞干细胞。2008; 3（5）：519-532。doi：10.1016/j.stem.2008.09.002。

7。Sato T，Vries R，Snippert H，等。单LGR5干细胞建立隐脚村结构体外没有间充质的小众。自然。2009; 459：262–265。doi：10.1038/nature07935。

8。Huch M，Koo BK。使用器官培养物对小鼠和人类发育进行建模。发展。2015; 142（18）：3113-25。doi：10.1242/dev.118570。

9。Dekkers JF，Wiegerinck CL等。使用原代囊性纤维化肠癌的功能性CFTR分析。Nat Med。2013; 19（7）：939-45。doi：10.1038/nm.3201。