類器官培養系統

類器官培養系統—HUMIMIC

       類器官是指在結構和功能上都類似來源器官或組織的模擬物，通過取特定器官的干細胞（iPS/ES），或者利用人的多能干細胞定向誘導分化，能獲得微型的器官樣的三維培養物，在體外模擬人體器官發育過程。

      類器官，具有某一器官多種功能性細胞和組織形態結構的三維（3D）培養物，主要來源于人具有多項分化潛能的多能干細胞（包括人胚胎干細胞和人誘導多能干細胞iPSCs）或成體干細胞。人多能干細胞能分化為個體所有類型的細胞，在體外，經過誘導分化，模擬人體器官發育過程，能使人多能干細胞直接分化形成各種類器官；不同組織器官都存在內源組織干細胞，在維持各器官的功能形態發揮著重要作用。這些干細胞在體外一定的誘導條件下，可以自組織形成一個直徑僅為幾毫米的具有組織結構和多種功能細胞的三維培養物。器官芯片是獲取兩個或兩個以上不同的類器官，并且放置在特定的培養芯片上進行共培養，能模擬人體的多個器官參與的生理學過程。

      與傳統2D細胞培養模式相比，3D培養的類器官包含多種細胞類型，能夠形成具有功能的“微器官”，能更好地用于模擬器官組織的發生過程及生理病理狀態，因而在基礎研究以及臨床診療方面具有廣闊的應用前景。類器官培養系統-—HUMIMIC是專門設計用于在芯片上進行多重類器官培養的系統，該系統能夠模擬人體內生理環境，包括溫度，濕度，氣流，壓力，液體流動等等，芯片底部有不通的微流道設計，針對不同的器官，可以單獨設置提供相應的培養條件，提供培養和分化環境。能高效均一的獲得用于研究或藥物篩選的類器官，具有較好的重復性，并且該系統能同時培養4種不同的類器官，通過微流控聯在一起，進行多器官串聯培養研究。

基于這一定義，可以發現類器官具備這樣幾個特征：
?    必須包含一種以上與來源器官相同的細胞類型；
?    應該表現出來源器官所特有的一些功能；
?    細胞的組織方式應當與來源器官相似。
 

      類器官作為一個新興的技術，在科學研究領域潛力巨大，包括發育生物學、疾病病理學、細胞生物學、再生機制、醫療以及藥物毒性和藥效試驗。類器官培養使研究人體發育提供了不受倫理限制的平臺，為藥物篩選提供了新的平臺，也是對現有2D培養方法和動物模型系統的高信息量的互補 。此外，類器官為獲取更接近自然人體發育細胞用于細胞治療成為可能。通過類器官繁殖的干細胞群取代受損或者患病的組織，類器官提供自體和同種異體細胞療法的可行性，未來這一技術在再生醫學領域也擁有巨大的潛力 。使用這項技術，采用CRISPR/Cas9能夠糾正體外遺傳異常并能夠將健康的轉基因細胞再次回輸入患者體內，并在后期整合入組織內。在醫學應用中，患者衍生的類器官也被證明為有價值的診斷工具。在進行治療之前，采用從患者樣本來源的類器官篩查患者體外藥物反應，旨在為癌癥和囊胞性纖維癥患者的護理提供指導并預測治療結果。隨著類器官培養系統以及其實驗開發技術的不斷發展，類器官應用到了各大研究領域。

      類器官可以模擬人體的內外環境和人體器官，幫助研究人員觀測用藥會對人體器官功能產生什么樣的影響。在提倡醫學和個體化治療的時代，類器官研究比傳統的二維細胞培養更具有針對性，并且可以區別不同癌癥對于相同藥物的反應。不僅如此，研究者還希望通過誘導多功能干細胞強大的再生潛能，體外生成新的器官或組織，然后移植入體內以替代損壞的組織器官。     

類器官培養系統—HUMIMIC的技術方案：在沒有病人的情況下測試病人

      為獲取更高相關與準確的測試結果，我們開發了人體器官模型的自動芯片測試：
      配備具有指示相關性的器官模型的芯片，以能夠在接觸生物體之前檢測其安全性和有效性
      終為芯片配備患者自身相關病變器官的亞基，以評估整個個性化治療的效果

      技術方案的配套系統：專業化的硬件、專業化的軟件、特定細胞、芯片系統、技術服務

技術方案的配套系統-1：專業化的硬件
      TissUse 是專門設計用于在芯片上進行多重類器官培養的系統。該系統能夠模擬人體內生理環境，包括溫度，濕度，氣流，壓力，液體流動等等，芯片底部有不通的微流道設計，針對不同的器官，可以單獨設置提供相應的培養條件，提供培養和分化環境。能高效均一的獲得用于研究或藥物篩選的類器官，具有較好的重復性。自動化細胞培養、分化一體設備可以高效提高類器官定向分化成功率。包括：自動培養模塊；自動換液模塊（可以執行至少多種不同的培養基/溶液的換液操作）。該系統能同時培養4種不同的類器官，通過微流控聯在一起，進行多器官串聯培養研究。

技術方案的配套系統-2：專業化的軟件

      TissUse Control Unit 自帶液晶觸摸控制屏，無需外接電腦，軟件操控非常友好，可以自主設置每個器官芯片的培養條件，包括溫度，壓力，真空百分比，時間等參數，來達到器官培養的條件。此外，TissUse Control Unit不需要除了器官芯片之外的耗材，也不需要頻繁繁瑣的維護，半年進行一個維護校準即可，使用維護成本較低。

技術方案的配套系統-3：特定細胞

技術方案的配套系統-4：芯片系統

技術方案的配套系統-5：技術服務

類器官培養系統-—HUMIMIC的應用案例

類器官的應用舉例-1：疾病模型
      類器官的研究還可用于于疾病模型，如發育相關問題，遺傳疾病，腫瘤癌癥等。
通過使用患者的iPSCs可建立有價值的疾病模型，并能在體外模擬重現病人疾病模型；同時，類器官的建立可以實現對藥物藥效和毒性進行更有效、更真實的檢測。由于類器官可以直接由人類iPSCs直接培養生成，相比于動物模型很大程度上避免了因動物和人類細胞間的差異而導致的檢測結果不一致。

類器官的應用舉例-2：藥效和毒理測試
      可以從患者來源的健康和腫瘤組織樣品中建立類器官。與此同時類器官培養物可用于藥物篩選，這可將腫瘤的遺傳背景與藥物反應相關聯。來自同一患者健康組織的類器官的建立提供了通過篩選選擇性殺死腫瘤細胞而又不損害健康細胞的化合物來開發毒性較小的藥物的機會。自我更新的肝細胞類器官培養物可用于測試潛在新藥的肝毒性（臨床試驗中藥物失敗的原因之一）。在該實施例中，藥物B適于治療患者，因為它特異性殺死腫瘤類器官并且不引起肝毒性。

類器官的應用舉例-3：類器官“生物銀行”
      根據目前的研究進展，建立了活體類器官“生物銀行”。其中，腫瘤來源的類器官在表型和基因上都與腫瘤相似。另外，腫瘤類類器官生物庫使生理學相關的藥物篩選成為可能?；铙w類器官生物庫可用于確定類器官是否對個體患者的藥物反應，具有預測價值。
從結直腸癌患者的健康組織和腫瘤組織中提取的三維有機組織培養物被用于高通量藥物篩選，以確定可能促進個性化治療的基因藥物相關性

類器官的應用舉例-4：重演腫瘤形成
      類器官的培養和建立，可用于研究腫瘤生成過程中的突變過程，比如說，通過從同一腫瘤的不同區域培養無性繁殖的類細胞器，可以用來研究腫瘤內部的異質性。
來自不同健康器官的類器官的生長，然后對培養物進行全基因組測序，可以分析器官特異性突變譜。通過生長來自同一腫瘤不同區域的類器官，可以用于研究腫瘤內異質性。區域特異性突變譜可以通過類器官的全基因組測序來揭示。使用與上述相似的方法，可以利用類器官來研究特定化合物對健康細胞和腫瘤細胞突變譜的影響。

類器官培養系統—HUMIMIC的培養的器官

類器官-1：腸類器官：

      HansClever 課題組證實單一的Lgr5 +干細胞能夠在體外持續增殖并自組裝形成隱窩－絨毛樣的小腸上皮結構。進一步的研究結果顯示，單個成人Lgr5 + 干細胞也能在體外成功擴增成結腸類器官，將這種功能性的結腸上皮移植到硫酸葡聚糖誘導的急性結腸炎小鼠模型中可以修復其受損的結腸上皮。這提示利用單一成人結腸干細胞體外擴增進行結腸干細胞治療是可行的。有學者還應用人誘導型多能干細胞( induced pluripotent stem cells，iPSCs) 直接定向分化為小腸組織的方法明確了Wnt3a 蛋白和成纖維細胞生長因子4 是后腸特定分化所必需的物質，而且，這種iPSCs體外構建的人體腸道組織中存在的小腸干細胞，也具有小腸特有的吸收和分泌功能。這有助于未來人腸道疾病藥物的設計研究，可大大提高了藥物利用率。目前，已有學者構建了小鼠小腸3D 類器官來進行P-糖蛋白抑制劑的篩選，為P-糖蛋白介導的藥物轉運研究提供了強有力的工具。

類器官-2：肝類器官：

      2013 年，Takebe 等將人多能干細胞來源的肝細胞、人間充質干細胞和人內皮細胞混合后在基質膠中培養，發現3 種細胞自組裝成3D 化肝芽，將該肝芽移植到丙氧鳥苷誘導肝臟衰亡的TKNOG 小鼠體內后發現這種肝芽可以連接小鼠腸系膜血管，小鼠也出現了人類特有的藥物代謝過程。這為肝臟器官發生的研究提供了有益嘗試。大型哺乳動物的類器官再造工程也許能加速人類治療和疾病致病機制研究的進展。2015 年，Nantasanti 等利用狗的肝臟干細胞構建了可分化為功能性肝細胞的肝類器官模型，能用于銅潴留癥的治療。貓被認為是非常適用于研究人類代謝性疾病的模型，所以利用貓的膽道組織構建肝類器官，可能是原發性肝膽疾病研究及藥物篩選的有益工具，但至今也未見利用貓建立長期保持基因穩定的肝臟干/祖細胞培養體系的報道。
     

類器官-3：胰腺類器官：

      有學者發現，當控制骨形態發生蛋白堿性成纖維細胞生長因子、激活素A 和Wnt3a 的表達水平或使用一些小分子化合物進行干預時，可以控制內胚層細胞向特定的方向分化，終形成胰腺。目前，構建胰島類器官的主要方法包括利用各種干祖細胞產生胰島樣細胞群和利用各種來源的胰腺細胞懸液或胰腺組織塊自組裝成擬胰島體。2011 年，Saito 等將人iPSCs 和胚胎小鼠胰島細胞體外共培養，后形成能夠產生胰島素的不成熟細胞群，該細胞群由胰島α 細胞包繞中央的β 細胞構成，這種結構和成年鼠胰島相似，將其移植到鏈脲菌素誘導的高血糖小鼠模型中后發現小鼠血糖水平得到改善。而進一步的體內實驗研究還需要關注如何規避免疫反應、促進再血管化、促進類器官分化發育等問題，在這方面，Sabek 等提出制備納米腺體來促進胰島發揮作用，這種納米腺體是運用3D 打印技術制作可吸收聚合物膠囊包裹胰島樣細胞團形成的，這可能是未來胰島類器官應用的一種思路。
     

類器官-4：腦類器官：

      近來，譜系重編程技術為獲取特異性種子細胞提供了新的途徑。Lancaster 等通過加入不同生長因子的方法將人類胚胎干細胞( embryonic stem cell，ESC) 和iPSC 在神經培養基3D 培養出了與9 ～ 10周胚胎大腦類似的“類大腦”，此類迷你大腦具備人類大腦發育初期的一些主要區域，也出現了背側皮層、腹側前腦等可辨認的特征，但由于缺乏一些特定的特征，如小腦、海馬狀突起等，這些區域無法應用于干細胞模型。之后，該研究者利用小顱畸形患者的皮膚成纖維細胞誘導形成了患者特異性iPSC 細胞系，并應用后者構建了小顱畸形腦類器官模型，通過對照實驗發現，正常ESC和該iPSCs 在類器官形成上并沒有明顯差異，但是后者形成的類器官中有大量未成熟的神經元分化，這為大腦發育紊亂類疾病的研究提供了一定的思路。2015年Kirwan 等應用人iPSC 體外構建了人大腦皮層神經網絡，能夠模擬人體內皮層網絡的發育和功能，這表明可以在體外通過構建大腦類器官來進行人類前腦神經網絡生理學機制的研究。
     

類器官-5：前列腺類器官：

      2014 年，研究人員*在實驗室利用來自轉移性前列腺癌患者的活檢標本和去勢抵抗性前列腺癌( castration-resistant prostate cancer，CＲPC) 患者的循環腫瘤細胞成功培育出7 個前列腺癌類器官，這些前列腺癌類器官以及從中獲得的腫瘤移植物的組織結構及基因突變譜與患者轉移灶樣本高度相似。Nicholson 等［21］也應用類器官培養技術成功在體外構建患者來源的異種移植物模型，相比于人源性腫瘤組織異種移植及基因工程鼠模型，這種新型的患者來源的類器官能更好地代表CＲPC 等高級別前列腺癌，還能代表前列腺癌的龐大臨床疾病譜，而這種疾病譜是目前僅有的前列腺癌細胞系無法代表的，因而在前列腺癌藥物篩選和個體化治療中展現出巨大的應用前景。

參考文獻

1. Maschmeyer, I., et al., A four-organ-chip for interconnected long-term co-culture of human intestine, liver, skin and kidney equivalents. Lab Chip, 2015. 15(12): p. 2688-99. 

2. Ramme, A.P., et al., Autologous induced pluripotent stem cell-derived four-organ-chip. Future Sci OA, 2019. 5(8): p. FSO413. 

3. Wagner, I., et al., A dynamic multi-organ-chip for long-term cultivation and substance testing proven by 3D human liver and skin tissue co-culture. Lab Chip, 2013. 13(18): p. 3538-47. 

4. Maschmeyer, I., et al., Chip-based human liver-intestine and liver-skin co-cultures--A first step toward systemic repeated dose substance testing in vitro. Eur J Pharm Biopharm, 2015. 95(Pt A): p. 77-87. 

5. Materne, E.-M., et al., A multi-organ chip co-culture of neurospheres and liver equivalentsfor long-term substance testing. Journal of Biotechnology, 2015. 205: p. 36–46 

6. Schimek, K., et al., Human multi-organ chip co-culture of bronchial lung culture and liver spheroids for substance exposure studies. Scientific Reports, 2020. 10(1): p. 7865.

7. Bauer, S., et al., Functional coupling of human pancreatic islets and liver spheroids on-a-chip: Towards a novel human ex vivo type 2 diabetes model. Sci Rep, 2017. 7(1): p. 14620. 

8. Sieber, S., et al., Bone marrow-on-a-chip: Long-term culture of human haematopoietic stem cells in a three-dimensional microfluidic environment. J Tissue Eng Regen Med, 2018. 12(2): p. 479-489. 

9. Hasenberg, T., et al., Emulating human microcapillaries in a multi-organ-chip platform. J Biotechnol, 2015. 216: p. 1-10. 

10. Schimek, K., et al., Bioengineering of a Full-Thickness Skin Equivalent in a 96-Well Insert Format for Substance Permeation Studies and Organ-On-A-Chip Applications. Bioengineering (Basel), 2018. 5(2). 

11. Hubner, J., et al., Simultaneous evaluation of anti-EGFR-induced tumour and adverse skin effects in a microfluidic human 3D co-culture model. Sci Rep, 2018. 8(1): p. 15010. 

12. Atac, B., et al., Skin and hair on-a-chip: in vitro skin models versus ex vivo tissue maintenance with dynamic perfusion. Lab Chip, 2013. 13(18): p. 3555-61. 

13. Schimek, K., et al., Integrating biological vasculature into a multi-organchip microsystem. Lab Chip, 2013. 13(18): p. 3588-98. 

14. Ni, L., et al., Repeated dose multi-drug testing using a chip-based co-culture of human liver and kidney proximal tubules equivalents. Scientific Reports, 2020. 10, 8879  

15. Baert, Y., et al., A Multi-Organ-Chip Co-Culture of Liver and Testis Equivalents: A First Step Toward a Systemic Male Reprotoxicity Model. Human Reprod., 2020, 11;deaa057. doi: 10.1093/humrep/deaa057 

16. Kühnlenz, J., et al.. Establishment of a multi-organ-chip based identification platform for endocrine disruptors. Abstracts of the 55th Congress of the European Societies of Toxicology (EUROTOX 2019) TOXICOLOGY – SCIENCE PROVIDING SOLUTIONS Toxicol Lett. 2019, 314, 293. doi:10.1016/j.toxlet.2019.09.002 

17. Schoon, J. et al., Metal-Specific Biomaterial Accumulation in Human Peri-Implant Bone and Bone Marrow. Adv. Sci. 2020, doi.org/10.1002/advs.202000412