【高分必读】国自然热点：类器官研究合集

2024-01-25

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文章来源：小张聊科研导语为帮助类器官研究领域的学者提供理论基础和前沿知识，小学社特地整理了近期发表的高分文章，涉及到心脏、乳腺、视网膜等不同类器官的研究，希望能为有需要的老师们提供更多的研究思路。人类心脏类器官：当前应用和未来前景Eur Heart J. IF: 39.3/Q1.2023 Dec 16:ehad841. doi: 10.1093/eurheartj/ehad841.心血管疾病 (CVD) 每年导致全球范围内高达 1800 万人的死亡，已成为了主要的死亡原因。在研究 CVD 的机制、评估心脏安全性以及开发新疗法的过程中，传统的动物和细胞模型被广泛应用。然而，值得注意的是，约 90% 在动物模型中开发的药物在临床试验中遭遇失败，其中约 45% 是由于意外的人体毒性，特别是心脏毒性。这突显了当前模型的局限性，并强调了对于更复杂工具的需求，以更好地研究人类疾病并加速从实验室到临床的转化过程。近年来，随着干细胞技术的重大突破，类器官已成为一种强大的工具，为解决这一问题提供了新的可能性。类器官是一种三维的微型器官样结构，能够模拟真实器官的结构和功能。与传统的二维细胞培养物相比，类器官为研究提供了更具生理相关性的模型。垂体干细胞：过去、现在和未来的前景Nat Rev Endocrinol. IF: 40.5/Q1. 2023 Dec 15. doi: 10.1038/s41574-023-00922-4.在垂体细胞中，表达转录因子SOX2的细胞被视为干细胞，因为它们具备自我更新的能力，并且能分化为多种类型的垂体激素产生细胞，形成类器官。虽然创伤和生理挑战能够激活垂体干细胞，但细胞的恢复数量并不完全，而且随着年龄的增长，动员干细胞的能力逐渐减弱。目前，关于这些限制的基础机制尚不明确。干细胞的静息与激活受到多种信号通路的调节，包括由WNT、Hippo以及多种细胞因子介导的信号通路。然而，这些通路之间的相互作用机制仍需进一步研究。垂体类器官可由人类或小鼠的胚胎干细胞或人类诱导多能干细胞形成。人垂体类器官的移植已成功诱导垂体切除小鼠释放皮质酮，从而提高了其在治疗应用上的潜力。目前，垂体类器官有潜力评估单个基因和遗传变异对体内外激素产生的影响，为垂体干细胞生物学和垂体器官发生领域的研究提供了强有力的工具。本文概述了垂体干细胞功能的最新发现，并强调了未来研究的重要方向。通过深入探究这些方向，有望为垂体干细胞生物学和相关领域带来更大的突破。培养皿中的 NEN：源自患者的类器官生物库揭示了神经内分泌肿瘤的潜在新治疗机会Cancer Cell. IF: 50.3/Q1. 2023 Dec 11;41(12):2014-2016. doi: 10.1016/j.ccell.2023.11.006.神经内分泌肿瘤是一种较为罕见的癌症，其治疗选择和临床前模型相对有限。在最新一期的《Cancer Cell》杂志中，Dayton等人成功建立了一个来源于患者的肿瘤类器官生物库，该库包含了肺低级别神经内分泌肿瘤（LNET）和高级别神经内分泌肿瘤（LCNEC）。利用独特的生态位扰动和药物反应测定技术，他们成功识别出了新的生物标志物依赖性治疗漏洞，为神经内分泌肿瘤的治疗提供了新的思路和靶点。基于网格树的分析揭示了患者源性类器官药物反应的基质调节Cell. IF: 64.5/Q1. 2023 Dec 7;186(25):5606-5619.e24. doi: 10.1016/j.cell.2023.11.005.在个性化治疗中，患者来源的类器官（PDO）具备模拟反应的能力，但当前的筛选技术仍有局限，无法深入揭示药物反应机制和肿瘤微环境细胞对治疗性能的影响。为突破这一困境，研究人员开发了一种高度复用的质谱平台。该平台能够以单细胞分辨率精确测量结直肠癌（CRC）PDO和癌症相关成纤维细胞（CAFs）中超过2500个样本的翻译后修饰（PTM）信号、DNA损伤、细胞周期活性以及凋亡对疗法反应。同时，研究团队还研发出一种名为 "Trellis" 的方法，能够对数千个单细胞数据进行综合比较，从而分析患者和微环境特异性药物反应。利用这一方法，研究人员发现，在化疗难治性 PDO 中，靶向细胞周期阻滞和 DNA 损伤的药物效应仍较为常见。然而，药物诱导的细胞凋亡现象较为稀少，且在不同患者之间存在差异，并与癌细胞 PTM 信号转导情况相吻合。此外，研究还发现 CAFs 能够调节 PDO 的可塑性，将增殖性结肠干细胞（proCSCs）转变为慢周期复苏性结肠干细胞（revCSCs），从而降低癌细胞对化疗的敏感性。这些发现为进一步优化个性化治疗方案提供了重要依据。结肠干细胞极化的致癌表象Cell. IF: 64.5/Q1. 2023 Dec 7;186(25):5554-5568.e18. doi: 10.1016/j.cell.2023.11.004.为了深入研究细胞内在和外在信号对细胞命运的共同调控，研究团队系统地分析了受到结直肠癌（CRC）致癌基因突变、微环境中的成纤维细胞和巨噬细胞、基质配体以及信号抑制剂影响的1107个结肠类器官培养物。通过多重单细胞分析，研究揭示了由癌基因和基质配体的组合所决定的细胞分化表型的变化。研究发现，从成纤维细胞诱导的Clusterin (CLU)+ revival结肠干细胞（revCSC）到癌基因驱动的LRIG1+过度增殖CSC（proCSC）的转变是一个逐步的过程。这一转变受到WNT3A和TGF-β驱动的YAP信号减少以及KRASG12D或基质EGF/Epiregulin激活的MAPK/PI3K通量增加的调控。此外，研究发现APC丢失和KRASG12D共同限制了revCSC的进入，并破坏了proCSC命运中的基质-上皮通讯，从而影响上皮细胞的命运。这些研究结果表明，致癌突变通过影响细胞外在调节因素，如基质-上皮通讯，来主导细胞命运的稳态分化过程。这一发现对于深入理解癌症发生和发展的机制，以及开发更有效的癌症治疗方法具有重要意义。体外重建动态乳腺小腺以实现正常生理和肿瘤发生Nat Methods. IF: 48.0/Q1.2023 Dec;20(12):2021-2033. doi: 10.1038/s41592-023-02039-y.类器官培养在正常组织重建和疾病建模中得到了广泛应用，然而，构建出能在稳态条件下模仿体内结构、大小和功能的类器官仍具有挑战性。本研究团队成功开发出一种长期成体干细胞衍生的乳腺迷你培养系统，该系统具有强大的三维生长能力，能再现正常乳腺的形态、规模、细胞背景和转录异质性。这种系统的自组织能力和产物的稳定性是由细胞外基质、环境信号和动态生理周期的协同作用决定的。这些迷你腺体能够反应激素，概括整个产后乳房发育过程，包括青春期、发情周期、哺乳期和恢复期。研究团队还观察到，这些微型腺体维持了乳腺干细胞的存在，并且还可以在谱系追踪测定中重现从胚胎双能性到出生后单能性的命运转变。此外，在诱导小腺体中癌基因表达后，研究团队在小鼠模型中观察到体外和体内肿瘤的发生。本研究提供了一个实验系统，可支持动态微型乳腺，用于研究生理相关的复杂生物过程。用于细胞和类器官培养的具有 DNA 编码粘弹性的动态基质Nat Nanotechnol. IF: 38.3/Q1.2023 Dec;18(12):1463-1473. doi: 10.1038/s41565-023-01483-3.在三维细胞和类器官培养中，粘弹性基质的机械支撑作用至关重要。然而，目前常用的基质材料在控制关键细胞指导特性方面尚显不足。针对这一问题，研究团队研发出一种基于DNA文库的全合成水凝胶，名为DyNAtrix。该水凝胶与超高分子量聚合物自组装，实现了动态DNA交联。通过调整DNA序列信息，DyNAtrix的粘弹性、热力学和动力学参数得以实现计算可预测和系统控制。此外，其热激活特性允许哺乳动物细胞均匀包埋。更值得一提的是，应力松弛时间可调节至四个数量级，从而模拟活体组织的机械特性。DyNAtrix具有自愈性、可打印性、高稳定性、良好的细胞和血液相容性，以及可控降解性等优势。在人间充质基质细胞、多能干细胞、犬肾囊肿和人滋养层类器官培养物中，基于DyNAtrix的培养展现出高活力、增殖和形态发生。因此，DyNAtrix作为一种可编程且多功能的精密矩阵，为生物力学、生物物理学和组织工程等领域提供了先进的技术手段。人类视网膜类器官发育的多模式时空表型分析Nat Biotechnol. IF: 46.9/Q1.2023 Dec;41(12):1765-1775. doi: 10.1038/s41587-023-01747-2.人类多能干细胞产生的类器官为研究发育和疾病提供了实验体系，然而，其在不同空间尺度和分子模式上的定量测量存在不足。为了弥补这一缺陷，本研究对视网膜类器官和原代成人视网膜组织进行了多重蛋白质图谱的构建。研究团队开发了一种工具包，可对祖细胞和神经元的位置、细胞外和亚细胞成分的空间排列进行可视化，并揭示每个类器官和原代组织的整体模式。此外，研究团队还获取了单细胞转录组和染色质可及性的时间过程数据集，并推断了类器官发育背后的基因调控网络。为了更深入地探索类器官模式和视网膜神经节细胞（RGC）的空间邻域，研究团队将基因组数据与空间分段的细胞核整合到多模态图谱中。研究结果突出了与RGC细胞死亡相关的途径，并表明视网膜类器官中的镶嵌遗传扰动为细胞命运的调控提供了新的见解。来自多个身体部位的患者源性神经内分泌肿瘤类器官的药物生长依赖性和肿瘤进化分析Cancer Cell. IF: 50.3/Q1. 2023 Dec 11;41(12):2083-2099.e9. doi: 10.1016/j.ccell.2023.11.007.神经内分泌肿瘤（NEN）涵盖了高分化神经内分泌肿瘤（NET）和低分化神经内分泌肿瘤（NEC）。不幸的是，NEN患者的治疗方案选择有限，部分原因在于缺乏精准的模型以供参考。为了解决这一难题，研究团队从肺部NET构建了患者源性肿瘤类器官（PDTO），并进一步从一种尚未被深入研究的大细胞神经内分泌癌（LCNEC）亚型中衍生出PDTO，这种亚型的肿瘤可源自身体多个部位。值得关注的是，PDTO能够维持其亲本肿瘤的基因表达模式、肿瘤内异质性和进化过程。通过药物敏感性分析，研究团队提出了一个假设，即ASCL1可能是LCNEC对BCL-2抑制剂治疗反应的潜在生物标志物。此外，研究团队还发现肺NET PDTO对EGF的依赖性。这些发现与独立队列研究中的结果相吻合，大约50%的肺部NET表达EGFR。综上所述，该研究为肺NET子集的可操作漏洞提供了有力证据，并突显了这些PDTO模型的实用性。使用空间排列的腹侧中脑-纹状体-皮质组合体对人类多巴胺能系统进行体外建模Nat Methods. IF: 48.0/Q1.2023 Dec;20(12):2034-2047. doi: 10.1038/s41592-023-02080-x.在运动控制和奖励相关认知过程中，腹侧中脑的多巴胺能神经元起到了关键作用，它们将信息传递至纹状体和皮质。在帕金森病中，黑质纹状体中的多巴胺能神经元发生退化，导致患者运动功能出现障碍。而中皮质边缘中的多巴胺能神经元功能障碍则与成瘾和神经精神疾病紧密相关。然而，由于缺乏适当的模型和人体材料获取的困难，对人类多巴胺能系统的发育和选择性神经变性的研究受到限制。为了解决这一问题，研究团队开发了一种人体体外模型，即空间排列的腹侧中脑-纹状体-皮质类器官（MISCO）。这种模型概括了多巴胺能神经元的关键方面，有助于研究它们的成熟、神经支配和功能。这不仅对细胞治疗具有重要意义，也为成瘾研究开辟了新的道路。研究团队详细介绍了如何生长腹侧中脑、纹状体和皮质类器官，以及如何将这些组织在定制嵌入模具中线性融合。他们报告了MISCO中与纹状体和皮质组织形成功能性远程多巴胺能连接的情况，并证实了注射的腹侧中脑模式祖细胞可以成熟并支配该组织。利用这些组合体，研究团队对多巴胺能回路进行了扰动研究，发现长期可卡因治疗会导致持久的形态、功能和转录变化，这些变化在停药后仍持续存在。这一发现为研究人类多巴胺能细胞的移植、电路重建以及药物对人类多巴胺能系统的影响提供了新的思路和方法。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