類器官再生醫(yī)學(xué)研究方法分享
2D細(xì)胞培養(yǎng)模型已被用于不同類型細(xì)胞的體外研究，評估細(xì)胞增殖、毒性、遷移和分化等。然而，2D培養(yǎng)不能完全模擬體內(nèi)異質(zhì)性微環(huán)境和復(fù)雜的過程，如細(xì)胞信號傳導(dǎo)、生物化學(xué)和三維幾何結(jié)構(gòu)，得到的結(jié)果不能充分預(yù)測體內(nèi)環(huán)境。與2D培養(yǎng)相比，3D培養(yǎng)在生理和生化上更類似于體內(nèi)組織/器官，模擬體內(nèi)環(huán)境，再現(xiàn)細(xì)胞-細(xì)胞和細(xì)胞-基質(zhì)的相互作用。
再生醫(yī)學(xué)是健康科學(xué)研究領(lǐng)域的新興領(lǐng)域，專注于生成和開發(fā)特定功能性生物替代品，這些替代品用于恢復(fù)、替代或改善組織和器官功能。主要目標(biāo)是在體外用健康組織替代某一功能或結(jié)構(gòu)受損的器官，實(shí)現(xiàn)無免疫抑制、無并發(fā)癥和毒性減少，避免因終生抗排斥治療產(chǎn)生巨額的費(fèi)用。
本文重點(diǎn)介紹了類器官在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，并提供了一種助力類器官培養(yǎng)與再生醫(yī)學(xué)的工具——JuLI™ Stage活細(xì)胞成像分析系統(tǒng)。
基于多能干細(xì)胞和成體干細(xì)胞的器官再現(xiàn)被稱為類器官培養(yǎng)，類器官是具有生理和分層細(xì)胞組織的3D細(xì)胞簇，可近似模擬配對的人體器官，對多細(xì)胞通訊、細(xì)胞外基質(zhì)、遺傳、生長條件和其他因素進(jìn)行深入研究。
隨著類器官培養(yǎng)的發(fā)展，患者來源的類器官可用于多種臨床應(yīng)用，包括疾病建模、藥物篩選、宿主-微生物相互作用和再生療法。類器官可用于通過正常器官建模研究發(fā)育和再生機(jī)制，還可以通過疾病建模用于發(fā)病機(jī)制研究和藥物開發(fā)。特別是癌癥類器官可用于大多數(shù)腫瘤學(xué)研究中的各種需求，包括確定腫瘤形成機(jī)制、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療和開發(fā)抗癌藥物。在基于類器官的再生醫(yī)學(xué)中，類器官作為基礎(chǔ)治療劑可以直接移植到受損組織中進(jìn)行修復(fù)。
類器官在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
器官移植
器官發(fā)生是由胚層形成新器官的過程。已鑒定的胚層由外胚層、中胚層和內(nèi)胚層組成。 類器官來源于多能干細(xì)胞或成體干細(xì)胞。成體干細(xì)胞來源于特定組織和特定類器官的產(chǎn)生。多能干細(xì)胞需要分化成不同的胚層，作為類器官屬的組成部分。多年來研究人員已經(jīng)從類器官中模擬了各種疾病，并在小鼠和大鼠等動物中進(jìn)行了移植。
再生醫(yī)學(xué)的預(yù)期用途之一是使用類器官進(jìn)行移植并替代受損器官，對于多種疾病，器官移植是優(yōu)先考慮的治療方法。然而，由于匹配供體數(shù)量有限和長期免疫抑制，同種異體移植受到限制。細(xì)胞移植和人工器官等替代療法是暫時的解決方案，因此類器官作為器官移植來源的出現(xiàn)成為有望的補(bǔ)救措施。由于類器官能夠與基因編輯和納米技術(shù)等其他新技術(shù)相結(jié)合，因此可以替代某些疾病的治療方法，如慢性腎臟�。–KD）、膽道閉鎖、炎癥性腸�。↖BD）和代謝性肝病。
蛋白質(zhì)組學(xué)和基因組學(xué)
蛋白質(zhì)組學(xué)和基因組技術(shù)通過識別關(guān)鍵生物標(biāo)志物、信號分子和途徑，對理解各種治療環(huán)境中的類器官行為至關(guān)重要，從而對再生醫(yī)學(xué)產(chǎn)生了重大影響。這些技術(shù)極大地改變了對類器官蛋白質(zhì)、基因和信號通路等機(jī)制的理解。蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)能夠全面檢查類器官中表達(dá)的所有蛋白質(zhì)，全面了解其功能成分，了解蛋白質(zhì)的變化、相互作用和修飾。相反，基因組技術(shù)通過識別突變、遺傳改變以及DNA分析，有助于解釋類器官的生長和行為。
臨床前模型
用于癌癥的類器官可用作臨床前模型，來研究個性化藥物并在應(yīng)用于患者之前對其進(jìn)行篩選。例如，通過對腎臟類器官進(jìn)行組織學(xué)檢查來研究癌組織的表型特征，再通過使用全基因組測序等方法，對突變特征和DNA甲基化譜等遺傳和表觀遺傳特征進(jìn)行檢測，從而用作藥物療效篩選的平臺。
JuLI Stage活細(xì)胞成像分析系統(tǒng)在類器官再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
我們挑選了一篇使用JuLI™ Stage活細(xì)胞成像分析系統(tǒng)應(yīng)用在類器官再生醫(yī)學(xué)方向的代表性文章，來自中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在《Stem Cell Research & Therapy》期刊發(fā)表一篇名為“Both Wnt signaling and epidermal stem cell-derived extracellular vesicles are involved in epidermal cell growth”的文章。
研究人員通過Wnt3a處理，獲得了具有完整干細(xì)胞和細(xì)胞連接的功能性濾泡間表皮干細(xì)胞，用Wnt3a和濾泡間表皮干細(xì)胞上清液與培養(yǎng)基按1:1的比例培養(yǎng)具有極性的功能性表皮3D類器官。證實(shí)了Wnt通路通過2D/3D系統(tǒng)增強(qiáng)EpSCs功能的作用，以及EpSCs來源的細(xì)胞外囊泡在皮膚發(fā)育中的潛在作用。這些結(jié)果為改善皮膚類器官和組織工程以及干細(xì)胞的臨床移植和藥物篩選提供了新的方向。
研究過程中使用JuLI™ Stage活細(xì)胞成像系統(tǒng)拍攝10天，并選取代表性明場圖像。
結(jié)論
類器官在藥物篩選、疾病建模、再生醫(yī)療等方向具有較大的潛力，在過去十年類器官技術(shù)取得了較大的進(jìn)展，是進(jìn)行基因組編輯和藥物篩選以及研究細(xì)胞發(fā)育途徑的平臺，可用于研究多種疾病。盡管目前仍存在許多挑戰(zhàn)與局限，類器官可適用于組織再生療法，各種基于類器官的再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展進(jìn)展迅速，已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。使用JuLI™ Stage活細(xì)胞成像分析系統(tǒng)，適應(yīng)各種實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和類器官細(xì)胞，適配從類器官圖像采集到數(shù)據(jù)分析的完整流程，大幅度節(jié)省人工、時間，提高實(shí)驗(yàn)效率，得到豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[1] Marchini A, Gelain F. Synthetic scaffolds for 3D cell cultures and organoids: applications in regenerative medicine. Crit Rev Biotechnol. 2022, 42(3): 468-486.
[2] Choi WH, Bae DH, Yoo J. Current status and prospects of organoid-based regenerative medicine. BMB Rep. 2023, 56(1): 10-14.
[3] Leng L, Ma J, Lv L, Wang W, Gao D, Zhu Y, Wu Z. Both Wnt signaling and epidermal stem cell-derived extracellular vesicles are involved in epidermal cell growth. Stem Cell Res Ther. 2020, 11(1): 415.
再生醫(yī)學(xué)是健康科學(xué)研究領(lǐng)域的新興領(lǐng)域，專注于生成和開發(fā)特定功能性生物替代品，這些替代品用于恢復(fù)、替代或改善組織和器官功能。主要目標(biāo)是在體外用健康組織替代某一功能或結(jié)構(gòu)受損的器官，實(shí)現(xiàn)無免疫抑制、無并發(fā)癥和毒性減少，避免因終生抗排斥治療產(chǎn)生巨額的費(fèi)用。
本文重點(diǎn)介紹了類器官在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，并提供了一種助力類器官培養(yǎng)與再生醫(yī)學(xué)的工具——JuLI™ Stage活細(xì)胞成像分析系統(tǒng)。
基于多能干細(xì)胞和成體干細(xì)胞的器官再現(xiàn)被稱為類器官培養(yǎng)，類器官是具有生理和分層細(xì)胞組織的3D細(xì)胞簇，可近似模擬配對的人體器官，對多細(xì)胞通訊、細(xì)胞外基質(zhì)、遺傳、生長條件和其他因素進(jìn)行深入研究。
隨著類器官培養(yǎng)的發(fā)展，患者來源的類器官可用于多種臨床應(yīng)用，包括疾病建模、藥物篩選、宿主-微生物相互作用和再生療法。類器官可用于通過正常器官建模研究發(fā)育和再生機(jī)制，還可以通過疾病建模用于發(fā)病機(jī)制研究和藥物開發(fā)。特別是癌癥類器官可用于大多數(shù)腫瘤學(xué)研究中的各種需求，包括確定腫瘤形成機(jī)制、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療和開發(fā)抗癌藥物。在基于類器官的再生醫(yī)學(xué)中，類器官作為基礎(chǔ)治療劑可以直接移植到受損組織中進(jìn)行修復(fù)。
圖1. 3D細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)和類器官的建立
類器官在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
器官移植
器官發(fā)生是由胚層形成新器官的過程。已鑒定的胚層由外胚層、中胚層和內(nèi)胚層組成。 類器官來源于多能干細(xì)胞或成體干細(xì)胞。成體干細(xì)胞來源于特定組織和特定類器官的產(chǎn)生。多能干細(xì)胞需要分化成不同的胚層，作為類器官屬的組成部分。多年來研究人員已經(jīng)從類器官中模擬了各種疾病，并在小鼠和大鼠等動物中進(jìn)行了移植。
再生醫(yī)學(xué)的預(yù)期用途之一是使用類器官進(jìn)行移植并替代受損器官，對于多種疾病，器官移植是優(yōu)先考慮的治療方法。然而，由于匹配供體數(shù)量有限和長期免疫抑制，同種異體移植受到限制。細(xì)胞移植和人工器官等替代療法是暫時的解決方案，因此類器官作為器官移植來源的出現(xiàn)成為有望的補(bǔ)救措施。由于類器官能夠與基因編輯和納米技術(shù)等其他新技術(shù)相結(jié)合，因此可以替代某些疾病的治療方法，如慢性腎臟�。–KD）、膽道閉鎖、炎癥性腸�。↖BD）和代謝性肝病。
蛋白質(zhì)組學(xué)和基因組學(xué)
蛋白質(zhì)組學(xué)和基因組技術(shù)通過識別關(guān)鍵生物標(biāo)志物、信號分子和途徑，對理解各種治療環(huán)境中的類器官行為至關(guān)重要，從而對再生醫(yī)學(xué)產(chǎn)生了重大影響。這些技術(shù)極大地改變了對類器官蛋白質(zhì)、基因和信號通路等機(jī)制的理解。蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)能夠全面檢查類器官中表達(dá)的所有蛋白質(zhì)，全面了解其功能成分，了解蛋白質(zhì)的變化、相互作用和修飾。相反，基因組技術(shù)通過識別突變、遺傳改變以及DNA分析，有助于解釋類器官的生長和行為。
臨床前模型
用于癌癥的類器官可用作臨床前模型，來研究個性化藥物并在應(yīng)用于患者之前對其進(jìn)行篩選。例如，通過對腎臟類器官進(jìn)行組織學(xué)檢查來研究癌組織的表型特征，再通過使用全基因組測序等方法，對突變特征和DNA甲基化譜等遺傳和表觀遺傳特征進(jìn)行檢測，從而用作藥物療效篩選的平臺。
JuLI Stage活細(xì)胞成像分析系統(tǒng)在類器官再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
我們挑選了一篇使用JuLI™ Stage活細(xì)胞成像分析系統(tǒng)應(yīng)用在類器官再生醫(yī)學(xué)方向的代表性文章，來自中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在《Stem Cell Research & Therapy》期刊發(fā)表一篇名為“Both Wnt signaling and epidermal stem cell-derived extracellular vesicles are involved in epidermal cell growth”的文章。
研究人員通過Wnt3a處理，獲得了具有完整干細(xì)胞和細(xì)胞連接的功能性濾泡間表皮干細(xì)胞，用Wnt3a和濾泡間表皮干細(xì)胞上清液與培養(yǎng)基按1:1的比例培養(yǎng)具有極性的功能性表皮3D類器官。證實(shí)了Wnt通路通過2D/3D系統(tǒng)增強(qiáng)EpSCs功能的作用，以及EpSCs來源的細(xì)胞外囊泡在皮膚發(fā)育中的潛在作用。這些結(jié)果為改善皮膚類器官和組織工程以及干細(xì)胞的臨床移植和藥物篩選提供了新的方向。
研究過程中使用JuLI™ Stage活細(xì)胞成像系統(tǒng)拍攝10天，并選取代表性明場圖像。
圖2. 人表皮干細(xì)胞（EpSCs）培養(yǎng)物的建立
圖3. 人類表皮3D類器官的產(chǎn)生
結(jié)論
類器官在藥物篩選、疾病建模、再生醫(yī)療等方向具有較大的潛力，在過去十年類器官技術(shù)取得了較大的進(jìn)展，是進(jìn)行基因組編輯和藥物篩選以及研究細(xì)胞發(fā)育途徑的平臺，可用于研究多種疾病。盡管目前仍存在許多挑戰(zhàn)與局限，類器官可適用于組織再生療法，各種基于類器官的再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展進(jìn)展迅速，已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。使用JuLI™ Stage活細(xì)胞成像分析系統(tǒng)，適應(yīng)各種實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和類器官細(xì)胞，適配從類器官圖像采集到數(shù)據(jù)分析的完整流程，大幅度節(jié)省人工、時間，提高實(shí)驗(yàn)效率，得到豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[1] Marchini A, Gelain F. Synthetic scaffolds for 3D cell cultures and organoids: applications in regenerative medicine. Crit Rev Biotechnol. 2022, 42(3): 468-486.
[2] Choi WH, Bae DH, Yoo J. Current status and prospects of organoid-based regenerative medicine. BMB Rep. 2023, 56(1): 10-14.
[3] Leng L, Ma J, Lv L, Wang W, Gao D, Zhu Y, Wu Z. Both Wnt signaling and epidermal stem cell-derived extracellular vesicles are involved in epidermal cell growth. Stem Cell Res Ther. 2020, 11(1): 415.
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