类器官、器官芯片与类器官芯片的简介

2024-02-28

点击图片查看OTC2023类器官前沿应用与3D培养论坛会后报告，OTC2024论坛征集投稿做报告，详询：王晨 180 1628 8769随着生物材料、化学、计算机和数学等多个学科的持续发展，科学家们提出了各种模拟人体器官的先进模型。作为新兴技术，人体类器官和器官芯片因其独特的优势而受到全世界的关注。人体类器官（Human Organoid, HO）的概念是由干细胞生物学领域相关的研究人员提出的，它能再现来源组织的许多生物学特征，可用于解析器官生成过程中的细胞命运，研究干细胞自我组装、增殖、分化和干性维持的机制。仿生的多细胞类型、高保真度和成熟度是HO技术的亮点。基因编辑、多组学、人工智能和生物材料技术的进步加强了HO在生命科学和生物医学领域中的影响。这些新兴技术扩大了HO的利用范围，为组织再生、疾病治疗、药物发现和个性化医疗提供了更多可能性。与HO有所不同的是，器官芯片（Organs-on-chip, OOC）是一种体外微型生理系统，能准确地纳入活体器官的关键微环境参数，包括生化因素、物理因素、多个器官或器官-基质之间的系统性相互作用，本质上代表了器官级的"合成生物学"。理想情况下，在OOC中剪切应力、动态流体、机械张力、氧梯度、生物支架、电子和光学信号等都能以时空可控的方式人为操控。目前，所谓的“呼吸肺”、“蠕动肠”、“节律心”、“褶皱脑”甚至体轴（如肝-胰岛轴、肠-肾轴和肠-微生物-脑轴）等器官芯片已被多个不同的研究团队开发出来，用于模拟人体生理病理生态系统，包括器官形成、宿主-免疫反应与药物-器官相互作用。在上述基础上，作为新一代的OOC，类器官芯片（Organoids-on-chip, OrgOC）是近年来刚被提出的概念。通过最大限度地发挥集成度更高的OOC和保真度更高的HO的潜力，OrgOC在器官水平上构建了更具代表性的组织特异性和关键功能的人体三维器官模型，将进一步推动工程技术在生物医学中的应用。在过去几年中，OrgOC技术得到了快速发展和广泛应用。国际上已经建立了多种具有器官级结构和功能单元的OrgOC，涉及人体的大部分部位，如生殖系统、内分泌系统、血管系统、神经系统等。HO和OOC技术代表了两种根本上不同但又互补的方法，它们都是为了实现仿生人体器官模型这一共同目标。这两种截然不同的模型系统具有独特的优势，有助于快速部署、实用和方便地构建OrgOC模型。而结合利用了HO和OOC两种技术优势的OrgOC模型，有望进一步弥合生物研究与临床研究之间的转化鸿沟，加快医学和工业领域从临床前到临床的转化。▲图表不同模型的优劣势对比（Wang, Hui et al. Theranostics. 2024）1. 人体类器官（Human Organoid, HO）：HO是来源于人类多能干细胞（PSC）或成体干细胞（ASC）的、体外培养的、具有一定有序空间结构的体外3D多细胞培养物，它们可以通过自组织重建与人体组织/器官高度相似的生理结构和功能。一般来说，PSC来源的类器官都是根据干细胞有序分化的设计原则构建的，因此需要了解目标器官是由哪些胚层分化而来，根据特定谱系的发育途径，在培养过程中需要及时、有序地添加相关细胞因子来决定细胞命运，在干细胞分化过程中建立正确的区域特征，并且基于排他性生物标志物或功能鉴定3D类器官中的器官特异性细胞谱系。与PSC来源的类器官相比，来源于ASC的类器官（例如患者来源的肿瘤类器官，PDO）的形成相对简单，因为不需要通过胚层引导。通常要从人体的组织中分离出组织特异性干细胞群，然后将这些干细胞群接种入细胞外基质（ECM）中，并与特定的组织发育成分（细胞因子等）相结合进行培养。总体而言，PSC来源与ASC来源这两种不同的模式各有优缺点。PSC衍生的类器官需要更长的诱导周期，且往往不支持传代培养。而ASC衍生的类器官能够形成具有相同基因的同源三维结构，可为患者的个体化治疗和精准医学铺平道路；然而这种类器官通常分化能力有限，且往往仅能够重现器官/组织的某些部分，例如，来自成年人的肠干细胞只会产生肠上皮细胞。但PSC衍生的类器官则允许通过整合多细胞元素形成更复杂的结构，例如血管和免疫系统。此外，由于个体差异和高度异质性，ASC衍生的类器官缺乏长期的稳定性。在ASC来源的类器官中，肿瘤类器官（PDO）是当前一个火热的研究领域。PDO的主要来源是癌症患者活检或手术组织中的干细胞。患者来源的类器官能忠实还原来源癌症组织的特征，其对药物的敏感性具有临床疗效的良好预测价值。此外，这种肿瘤模型具有强大的扩增能力，因此可以在体外稳定培养和传代。与传统细胞系相比，PDO可在体外长期维持细胞表型和基因型，并反映常见的复发性遗传病变。PDO可用于研究肿瘤的多种不同方面，包括稳态、肿瘤发生、癌症转化的相关机制。▲图1 万何圆生物培养的结直肠癌类器官2. 器官芯片（Organs-on-chip, OOC）：OOC是体外的人体相关微系统，可在微流体灌注培养装置中再现活体器官的结构和功能单元（如原代细胞、细胞系和干细胞）。OOC重要的特征是具有让微流控流体可动态流动的通道，以连接不同的区室，这些区室之内有代表不同功能单元的细胞类型。OOC可独立控制或高度耦合复杂的微环境因素，如动态流体、机械力、三维结构、氧梯度和空间分区，以模拟人体原生器官的生态位。微流控通道可及时更新营养物质、排出废物，有利于细胞在长期培养过程中存活。动态流动还能提供生理剪切应力，增强OOC的生理活性，在实现同一OOC系统内多个“器官”之间的系统性相互作用方面发挥着至关重要的作用。迄今为止，已开发出多种微机械加工技术来制造生物医学OOC系统，包括光刻、蚀刻和三维生物打印等技术。微机械加工技术可在微米级通道内实现空间分隔，从而产生功能性的界面/屏障（例如母-胎界面、气-液界面、肠道屏障和血-脑屏障等）。通过整合这些特征，多层和/或多分区的芯片使得类似体内环境的多种细胞共培养成为可能，并有助于研究微生物、免疫细胞和其它细胞在多种生物过程（例如肿瘤转移和免疫应答）中的相互作用。总之，OOC系统特别强调通过建立与人类原器官相关的生态位条件来体外操纵细胞行为，包括形成三维拓扑结构引导细胞按确定的方向迁移和分化、模拟运动器官的机械运动、设置氧梯度等；如有必要，还可在目标器官的培养系统中加入电磁或光学致动器（如产生心脏收缩功能）。此外，OOC还能进行高分辨率原位成像，实时监测对外部和内部刺激的反应；这表明在可预见的未来，OOC在生物医学应用和利用方面具有巨大潜力。迄今为止，已经用OOC“重现”了人体的许多部位，如大脑、肺、肠道、肝脏、肾脏、胰岛、心脏和软骨等。这些OOC模型在器官再生、疾病研究、药物筛选等方面显示出巨大的前景。▲图2 器官芯片示例图（哈佛大学Wyss研究所官网图片）3. 类器官芯片（Organoids-on-chip, OrgOC）：顾名思义，如果说OOC指的是“芯片装置+细胞”，那么OrgOC则是指“芯片装置+类器官”。OrgOC是生命科学与工程领域两项前沿技术（HO和OOC）的结合，属于高度仿生的体外模型。这是一个技术含量较高、多学科交叉的行业，涉及芯片设计与制造、模型构建与功能评估、生物学研究与药物测试等。2019年，《Science》杂志首次提出类器官芯片的概念，指的是器官芯片的"升级版"或“扩展版”。如今，OrgOC已广泛应用于药物研发、疾病建模和精准医疗等领域。OrgOC的构建需要遵循器官发育生物学的特定原理，并考虑到微型装置的可行性和稳定性。第一步是确认要模拟的细胞类型和空间分布，并据此设计芯片中的微结构。然后，在系统中加入相关的生化微环境成分，以便根据特定谱系的发育途径诱导细胞行为。最后，通过在相应区室中培养具有所需结构和功能特征的类器官，来组合成OrgOC系统。目前，许多商业培养板（塑料和玻璃体形式）已被广泛使用于三维类器官的形成和随后的药物检测。还有许多研究将传感元件集成到培养平台中，以对类器官进行连续监测、筛选和分析。此外，新兴的3D生物打印技术推动了高通量、高精度的类器官构建。人工智能（AI）、计算机科学、多重生物传感器、多组学分析和基因编辑等技术也可融入到OrgOC系统中，以综合的方式提高生物信号的实时检测和分析能力。OrgOC技术可以显著提高药物疗效和安全性预测的可靠性，同时降低成本和药物失败率，可能为药物临床前评估与临床试验提供有力的科学证据。这些特点是传统的二维细胞系培养和动物模型不具备的，因为动物和人体、体外静态和体内动态条件下得出的数据明显不匹配。尽管OrgOC系统离忠实再现原生人体器官的功能还相差甚远，但它已经显示出模拟人体生理和病理学方面的独特优势。▲图3 类器官芯片示意图（Yaqing Wang, Jianhua Qin. Life Medicine. 2023）参考文献及资料[1]Wang H, Ning X, Zhao F, Zhao H, Li D. Human organoids-on-chips for biomedical research and applications. Theranostics. 2024; 14(2): 788-818.[2]Hwangbo H, Chae S, Kim W, Jo S, Kim GH. Tumor-on-a-chip models combined with mini-tissues or organoids for engineering tumor tissues. Theranostics. 2024; 14(1): 33-55.[3]https://wyss.harvard.edu/technology/human-organs-on-chips/[4]Wang Y, Qin J. Advances in human organoids-on-chips in biomedical research. Life Medicine. 2023 ;2(1): 6.点击图片查看OTC2023类器官前沿应用与3D培养论坛会后报告，OTC2024论坛征集投稿做报告，详询：王晨 180 1628 8769