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下一代类器官生长并像真实组织一样起作用

有机体正迅速成为现代生命科学的前沿工具。这个想法是利用干细胞来构建微型组织和器官,这些微型组织和器官准确地类似于它们的行为,并且像它们的真实对应物一样运转。

从基础生物学研究到药物开发和测试,类器官可以通过提供健康或患病的人体组织来补充动物测试,从而加快从实验室到临床试验的漫长旅程。除此之外,将来有可能使用类器官技术来替换受损的组织甚至器官,方法是从患者身上获取干细胞,然后将它们培养成新的肝脏,心脏,肾脏或肺部。

迄今为止,已建立的类器官的制造方法具有相当大的缺点:干细胞无法控制地发展成寿命短,非生理性大小和形状的圆形和封闭组织,所有这些都会导致整体解剖学和/或生理学不一致与现实生活中的器官。

现在,由EPFL生物工程研究所的MatthiasLütolf领导的小组的科学家找到了一种引导干细胞形成外观和功能类似于真实组织的肠道类器官的方法。该方法发表在《自然》杂志上,该方法利用干细胞沿着管状支架生长和组织自身的能力,该支架模仿放置在微流控芯片中的天然组织的表面。

EPFL研究人员使用激光在水凝胶中雕刻这种肠形支架,水凝胶是在肠的细胞外基质中发现的,支持天然组织细胞的交联蛋白的软混合物。除了作为干细胞可以在其上生长的底物之外,水凝胶因此还提供了可以构建最终肠组织的形式或“几何形状”。

一旦接种到肠样支架中,干细胞会在数小时内散布在其上,形成具有特征性隐窝结构和绒毛样结构域的连续细胞层。然后出人意料的是:科学家发现干细胞会自动排列以形成功能性的小肠。

“似乎具有隐窝状空腔的水凝胶支架的几何形状直接影响干细胞的行为,因此它们可以保留在空腔中并在外部区域分化,就像在天然组织中一样。”吕托夫。干细胞不仅适应支架的形状,还产生了在真实肠道中发现的所有关键分化细胞类型,以及一些通常在类器官中找不到的稀有和专门细胞类型。

肠道组织以体内最高的细胞周转率而著称,导致大量脱落的死细胞积聚在经典类器官的内腔中,这些类器官以封闭球体的形式生长,需要每周分解成小碎片以使其保持在培养状态。该论文的第一作者迈克·尼古拉耶夫(Mike Nikolaev)表示:“微流体系统的引入使我们能够有效地灌注这些小肠,并建立一个长寿的体内平衡类器官系统,在该系统中,细胞的生与死得以平衡。

研究人员证明,这些小肠与其体内的同类动物具有许多功能特征。例如,它们可以在大规模组织损伤后再生,并且可以以以前在实验室中生长的任何其他组织模型无法实现的方式用于建模炎症过程或宿主-微生物相互作用。

另外,该方法广泛适用于来自其他器官如肺,肝或胰腺的干细胞以及人类患者的活检组织的微型组织的生长。吕托夫说:“我们的工作表明,组织工程学可用于控制类器官的发育并建立具有高度生理相关性的下一代类器官,为疾病建模,药物发现,诊断和再生医学开辟了令人兴奋的前景。”

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