類器官再生醫(yī)學(xué)研究方法分享
2D細胞培養(yǎng)模型已被用于不同類型細胞的體外研究，評估細胞增殖、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)細胞-細胞和細胞-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)生巨額的費用。
本文重點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活細胞成像分析系統(tǒng)。
基于多能干細胞和成體干細胞的器官再現(xiàn)被稱為類器官培養(yǎng)，類器官是具有生理和分層細胞組織的3D細胞簇，可近似模擬配對的人體器官，對多細胞通訊、細胞外基質(zhì)、遺傳、生長條件和其他因素進行深入研究。
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)育和再生機制，還可以通過疾病建模用于發(fā)病機制研究和藥物開發(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制、實現(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胞或成體干細胞。成體干細胞來源于特定組織和特定類器官的產(chǎn)生。多能干細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，如慢性腎臟病（CKD）、膽道閉鎖、炎癥性腸病（IBD）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行篩選。例如，通過對腎臟類器官進行組織學(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行檢測，從而用作藥物療效篩選的平臺。
JuLI Stage活細胞成像分析系統(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)院的研究團隊在《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胞和細胞連接的功能性濾泡間表皮干細胞，用Wnt3a和濾泡間表皮干細胞上清液與培養(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。證實了Wnt通路通過2D/3D系統(tǒng)增強EpSCs功能的作用，以及EpSCs來源的細胞外囊泡在皮膚發(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)取得了較大的進展，是進行基因組編輯和藥物篩選以及研究細胞發(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)展進展迅速，已進入臨床試驗階段。使用JuLI™ Stage活細胞成像分析系統(tǒng)，適應(yīng)各種實驗?zāi)繕?biāo)和類器官細胞，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，提高實驗效率，得到豐富的實驗數(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)生巨額的費用。
本文重點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活細胞成像分析系統(tǒng)。
基于多能干細胞和成體干細胞的器官再現(xiàn)被稱為類器官培養(yǎng)，類器官是具有生理和分層細胞組織的3D細胞簇，可近似模擬配對的人體器官，對多細胞通訊、細胞外基質(zhì)、遺傳、生長條件和其他因素進行深入研究。
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)育和再生機制，還可以通過疾病建模用于發(fā)病機制研究和藥物開發(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制、實現(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行修復(fù)。
圖1. 3D細胞培養(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胞或成體干細胞。成體干細胞來源于特定組織和特定類器官的產(chǎn)生。多能干細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，如慢性腎臟病（CKD）、膽道閉鎖、炎癥性腸病（IBD）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行篩選。例如，通過對腎臟類器官進行組織學(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行檢測，從而用作藥物療效篩選的平臺。
JuLI Stage活細胞成像分析系統(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)院的研究團隊在《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胞和細胞連接的功能性濾泡間表皮干細胞，用Wnt3a和濾泡間表皮干細胞上清液與培養(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。證實了Wnt通路通過2D/3D系統(tǒng)增強EpSCs功能的作用，以及EpSCs來源的細胞外囊泡在皮膚發(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)取得了較大的進展，是進行基因組編輯和藥物篩選以及研究細胞發(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)展進展迅速，已進入臨床試驗階段。使用JuLI™ Stage活細胞成像分析系統(tǒng)，適應(yīng)各種實驗?zāi)繕?biāo)和類器官細胞，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，提高實驗效率，得到豐富的實驗數(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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