幹細胞：人類類器官的倉庫

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Nature Methods如此評價類器官（Organoids）技術：利用幹細胞直接誘導生成三維組織模型，為人類生物學研究提供了強大的方法，目前對於這種工具的研究正在不斷發展進步中。

生命（至少）是在三維空間中發生並存在的，利用在培養皿中形成的平層細胞開展生命的分子細胞學研究具有很大的局限性，無法揭示生物學的全部事實。類器官技術也是在這一背景下應運而生。

這項技術始於2009年，荷蘭Hubrecht研究所的Clevers團隊成功的將成體幹細胞培養成為小腸的隱窩和絨毛結構。

2011年，該領域再次獲得突破，日本RIKEN發育生物學中心的研究人員將胚胎幹細胞構建成為視杯結構。

2013年，來自日本、德國、美國的科研人員分別構建出肝芽、迷你腎和微型大腦，使該領域獲得了國際的廣泛關注，並被Science評選為2013年的十大突破。

近年來，該技術不僅在更多種類的組織器官構建中獲得了突破，在疾病研究、藥物篩選、藥物毒理測試等領域也展現出作為組織模型的應用潛力。此次，Nature Methods將其確定為2017年的年度技術，再次凸顯了該技術的巨大發展潛力，未來該領域有望引起全球更大範圍的研究熱潮。

1

幹細胞———胃底類器官

2017年1月4日，美國辛辛那提兒童醫院醫療中心的研究人員成功利用人類多能幹細胞培育出能產生胃酸和消化酶的胃底類器官。研究人員發現了在小鼠胚胎中調控胃細胞發育的重要信號通路Wnt/β-catenin，並通過在人類多能幹細胞（hPSC）來源的前腸祖細胞中激活該通路，實現了人類胃底類器官（hFGOs）的構建。同時，利用hFGO，研究人員還識別出調控表皮形態發生及胃底主細胞和壁細胞分化的關鍵分子信號。

相關研究以Wnt/β-catenin promotes gastric fundus specification in mice and humans為題發表在Nature上。

（圖片來源：Nature, doi: 10.1038/nature21021）

2

幹細胞———功能性腸道類器官

2017年1月12日，日本國立成育醫療研究中心的研究人員利用人類多能幹細胞培育出功能性腸類器官。該腸類器官含有源自3個胚層的腸細胞：腸上皮細胞、杯狀細胞、潘氏細胞和腸內分泌細胞，並具有腸道功能，包括肽的吸收，以及響應組胺和抗膽鹼能藥物的刺激而表現出腸蠕動。

相關研究以A xenogeneic-free system generating functional human gut organoids from pluripotent stem cells為題發表在JCI Insight上。

（圖片來源：JCI Insight, doi: 10.1172/jci.insight.86492）

3

幹細胞———角膜類器官

2017年1月27日，美國約翰?霍普金斯大學醫學院的研究人員利用人類誘導多能幹細胞成功培養出角膜類器官。該角膜類器官具有與正常發育的角膜同樣的特徵，包含三種不同的細胞類型：上皮細胞、基質細胞和內皮細胞。

相關研究以Cornea organoids from humaninduced pluripotent stem cells為題發表在Scientific Reports上。

（圖片來源：Scientific Reports, doi: 10.1038/srep41286）

4

幹細胞———肺臟類器官

2017年4月24日，美國哥倫比亞大學醫學中心的研究人員利用人多能幹細胞生成了模擬肺部結構和功能的類器官，包含分支氣道和肺泡結構，且該分支結構達到了人類妊娠中期的發育水平。為了驗證其功能，科研人員利用引發嬰幼兒小氣道阻塞和細支氣管炎的呼吸道合胞體病毒（RSV）在體外對其進行感染，發現會導致被感染細胞腫脹，並分離、脫落到類器官腔，與人類肺部觀察到的現象一致。此外，研究人員在類器官中引入了引起早髮型肺纖維化的HPS1突變，發現能夠導致細胞外基質和間充質細胞的積聚，表明類器官具有體外重建肺纖維化疾病模型的潛力。

相關研究以A three-dimensional model ofhuman lung development and disease from pluripotent stem cells為題發表在Nature Cell Biology上。

（圖片來源：Nature Cell Biology, doi: 10.1038/ncb3510）

5

幹細胞———結腸類器官

2017年6月19日，美國威爾康奈爾醫學院（Weill Cornell Medicine College）的研究人員利用家族性腺瘤性息肉病（FAP）患者皮膚成纖維細胞的誘導多能幹細胞構建了結腸類器官。研究證實，構建的結腸類器官具有結腸組織的生物學特徵，包含幹細胞、短期擴增細胞、分化細胞等。研究人員進一步利用構建的結腸類器官進行了XAV939、雷帕黴素、遺傳黴素三種藥物的體外測試，證實了其在結直腸癌靶向藥物開發中的應用潛力。

相關研究以Colonic organoids derived from human induced pluripotent stem cells for modeling colorectal cancer and drug testing為題發表在Nature Medicine上。

（圖片來源：Nature Medicine, doi: 10.1038/nm.4355）

6

幹細胞———結腸類器官

2017年7月6日，美國辛辛那提兒童醫院的研究人員利用人類多能幹細胞培育出結腸類器官。研究人員基於動物模型展開分子和遺傳學篩查，並結合多個資料庫，發現BMP信號對腸上皮細胞發揮調控作用。通過短暫激活BMP信號，成功促使幹細胞發育形成結腸類器官（HCO）。進一步研究發現，移植到實驗鼠體內發育6到10周後，這一類器官的形態、結構、分子和細胞特性等都與人類結腸相似。

相關研究以Differentiation of human pluripotent stem cells into colonic organoids via transient activation of BMP signaling為題發表在Cell Stem Cell上。

（圖片來源：Cell Stem Cell, doi: 10.1016/j.stem.2017.05.020）

7

幹細胞———結腸類器官

2017年10月13日，荷蘭烏得勒支大學的研究人員利用CRISPR-Cas9技術敲除了人類結腸類器官中的關鍵DNA修復基因，並進行延遲亞克隆（delayed sub-cloning）和全基因組測序，準確地模擬了錯配修復缺陷型結直腸癌中觀察到的突變，為癌症突變研究提供了有效的工具。

相關研究以Use of CRISPR-modified human stem cell organoids to study the origin of mutational signatures in cancer為題發表在Science上。

（圖片來源：Science, doi: 10.1126/science.aao3130）

中國科學院上海生命科學信息中心

幹細胞與再生醫學情報團隊

參考文獻：

[1] McCracken K W, Aihara E, Martin B, et al. Wnt/β-catenin promotes gastricfundus specification in mice and humans[J]. Nature, 2017, 541(7636): 182-187.

[2] Uchida H, Machida M, Miura T, et al. Axenogeneic-free system generating functional human gut organoids from pluripotentstem cells[J]. JCI Insight, 2017, 2(1): e86492.

[3] Foster J W, Wahlin K, Adams S M,et al. Cornea organoids from humaninduced pluripotent stem cells[J]. Scientific Reports, 2017, 7: 41286.

[4] Chen Y W, Huang S X, et al. A three-dimensional model of humanlung development and disease from pluripotent stem cells[J]. Nature Cell Biology, 2017, 19(5): 542-549.

[5] Crespo M, Vilar E, Tsai SY, et al. Colonic organoids derived from human induced pluripotent stem cells formodeling colorectal cancer and drug testing[J]. Nature Medicine, 2017, 23(7):878-884.

[6] Múnera J O, Sundaram N, Rankin SA, et al. Differentiation of human pluripotent stem cells into colonicorganoids via transient activation of BMP signaling[J]. Cell Stem Cell, 2017, 21(1): 51-64.

[7] Drost J, VanBoxtel R, Blokzijl F, et al. Use of CRISPR-modified human stemcell organoids to study the origin of mutational signatures in cancer[J]. Science, 2017, 358(6360): 234-238.

來源：中國幹細胞與再生醫學信息網 CSCRM

編譯：施慧琳

原題目：《乾貨：幹細胞與再生醫學領域年度盤點—幹細胞自組裝形成類器官》

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本文內容轉自中國幹細胞與再生醫學信息網。

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