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时光荏苒,又是年末时节,春节前后正是申请国自然基金的时候,近几年来,类器官主题的国自然项目如雨后春笋般不断涌现,大有喷涌之势,深受国自然基金和各类期刊的宠爱,2021年科技部将“基于干细胞的人类重大难治性疾病模型”列为“十四五”首批重点专项,其中类器官作为重要的新兴前沿技术,能够为疾病研究与治疗助力。由于模型自身的创新性叠加真实疾病研究的机制反应,出现在越来越多的国自然项目申请中和高分文章里,今天万事君通过文献解读一起来学习类器官主题发表高分文献的思路,易于理解,便于模仿学习。

1.  什么是类器官

类器官是一种利用成体的干细胞在离体状态下体外培育成具有三维结构的微器官,其主要是从干细胞或者从患某种疾病的患者身上提取的特定疾病组织在特定的3d体外微环境下自组织发育而来的,其能够高度模拟出体内真实器官特征的小型化的体外器官模型。由于其可以在很大程度模拟目标组织或器官的遗传特征和表观特征,可以加深对人类发育和组织、器官再生机制的理解,在器官发育、精准医疗、再生医学、药物筛选、基因编辑、疾病建模等领域都有广泛的应用前景。2013年,类器官被《science》杂志评为年度十大技术,2018年初,类器官被评《》评为2017年度方法。


nature methods 曾这样评价类器官(organoids)技术——通过类器官技术能够利用干细胞直接诱导生成三维组织模型,为人类生物学研究提供了强大的方法,比如我们以肿瘤类器官为例,可以从肿瘤患者的身上获取包含肿瘤细胞的组织及,通过在体外构建与体内相似的器官环境,利用扩增技术还原体内肿瘤遗传学与肿瘤生物学双重特征的“患者替身”,能够在体外模拟的环境中进行组织再生、疾病建模甚至器官移植和相应疾病的药物研发。

2.类器官的主要研究方向

类器官能够模拟体内真实器官的与功能,因此能够为精准医疗提供全新的研究方法和治疗手段,在生物医学中有着广阔的探索和应用。

首先,类器官的一个研究方向是不同类器官模型的构建,绝大多数组织都可以在体外构建3d培养的类器官,比如人多能干细胞来源的肠道、视网膜、脑、肝、肾等以及人体组织来源的胰腺、胎盘和肺类器官,如下图是不同类器官类型建立的时间轴。


除去类器官模型的构建外,还有以下

1.  3d打印和器官芯片技术结合开发更加真实的类器官;

2.  类器官在组织发育、稳态和疾病研究中的应用;

3.  应用单细胞技术结合类器官进行深入研究;

4.  应用基因组测序和基因编辑来探索病毒感染期间的基因型-表型相关性等也是目前类器官研究的主要方向。


3.类器官的文献解读学习

万事君以题目为“molecular biological analysis of 5-fu-resistant gastric cancer organoids; khdrbs3 contributes to the attainment of features of cancer stem cell”的高分文献来解读类器官。

首先从研究背景来学习,胃癌(gc)是癌症相关死亡的第四大原因,其中5-(5-fu)是治疗胃癌的关键药物之一,大量证据表明,肿瘤干细胞在获得耐药性中起关键作用,而类器官作为一种新型的三维细胞培养系统技术,通过在培养皿中使用特定的生态位因子来维持干细胞驱动的近生理性自我更新组织的形成,可以作为研究治疗胃癌(gc)相关的肿瘤干细胞csc功能的理想体外模型。

在研究过程中,首先作者通过构建类器官库,鉴定原发耐药及敏感类器官,并将敏感株诱导为耐药株。作者建立了胃癌类细胞库gco,并逐步用较高浓度的5-fu处理,最后成功收获了四个5-fu抗性gco,这些gco是由5-fu代谢相关分子表达的显著变化支持;同时作者使用三种正常胃器官样细胞和三对5-fu耐药和亲代gco进行微阵列分析,通过表达谱的比较和进一步的验证,检查h&e染色切片中5-fu抗性器官样体的组织学特征,并证实所有四种5-fu抗性器官样体均表现出隐窝样出芽和圆形细胞核,其极性维持在细胞中心,这与先前报道的csc的形态特征非常相似。


接着进行-筛选导致耐药的靶点,将亲本敏感类器官及诱导耐药类器官进行对比,进行转录组学比较差异基因筛选靶点,最后通过筛选选择khdrbs3作为目的基因;同时通过后期的实验,作者发现khdrbs3是gc患者的独立预后因素,尤其是在接受5-fu化疗的gc患者中;此外还确定,khdrbs3可能通过调节cd44变体表达,在获得干细胞样特征(如多药耐药性和器官样形成)中发挥重要作用。因此khdrbs3被认为在获得gc中cscs的特征中起重要作用,是预测gc患者治疗效果和预后的一个有前途的候选标志物。


最后作者进行了表型验证,在高表达且耐药的类器官中进行敲除验证,实验结果发现敲除khdrbs3后,继发性耐药类器官对氟尿嘧啶的ic50明显降低,变得更为敏感;此外在原发敏感类器官上过表达khdrbs3,并进行wb及ihc验证,发现过表达khdrbs3后类器官对氟尿嘧啶的ic50上升,变得更为耐药。最终作者通过建立5-fu耐药的类细胞库gco,并发现和确定khdrbs3,作为在gc中csc样细胞群的靶点,其表达在多药耐药性获得中发挥重要作用,并通过表型进行验证。本研究为预测gc患者的治疗价值和预后提供了一个潜在的候选标志物,并强调其是在gc的csc中获得5-fu耐药性机制的关键。



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