類器官技術：賦能新冠病毒研究

2023-11-06 10:23:51 124閱讀次數

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經過十余年的發展，多種器官的類器官得以在體外構建成功，類器官也為很多疾病提供了優良的體外模型。恰逢 COVID-19 流行，類器官也被用于研究 SARS-CoV-2 的致病機理研究及藥物篩選。對此，Yuling Han 等人對人類類器官模型在 SARS-CoV-2 感染領域的應用進行了綜述。

2009 年，荷蘭 Hubrecht 研究所的 Hans Clevers 團隊S次在體外將腸道干細胞培養成具有類腸的隱窩狀和絨毛狀上皮區域的三維結構，即小腸類器官，由此開啟了類器官的研究^[1]。自那以后，類器官研究步入了高速發展期，經過十余年的發展，已有多種類器官在體外構建成功，包括：腸、胃、視網膜、腦、肝、腎、肺、胰腺、心臟、呼吸道、血管以及胎盤類器官等（圖1）。作為一種前沿的科研方法，類器官技術已被應用于疾病模型構建、藥物發現、個性化藥物篩選、藥敏檢測、發育生物學、病理學、細胞生物學、再生醫學及精準醫學等領域。相較于 2D 培養的細胞，類器官能更好的模擬體內生理特征，更適合用于研究細胞間通訊及形態發生。另外，相較于動物模型，類器官更適合用于高通量篩選，并且具有更高的可操作性。

類器官的構成來源主要包括兩種：一種是人類多能干細胞（human pluripotent stem cells, hPSCs），包括胚胎干細胞（embryonic stem cells, ESCs）、誘導多能干細胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）等；另一種是成體組織。兩者在可獲得性、可編輯性、成熟度和多樣性方面各有利弊。理論上，hPSCs 具有無限的增殖能力和在所有三個胚層中產生類器官的發育潛力，并且 hPSCs 能輕松地擴大培養，用于大規模研究，比如藥物篩選及代謝分析。相比之下，成體類器官自我更新能力有限，這就限制了它在大規模研究中的應用。另外，hPSCs 來源的類器官在基因編輯方面更易達成，便于研究單個變異在病毒感染中的生物學功能。成體類器官的優勢在于其良好的成熟度，這是 hPSCs 來源的類器官所不具備的，大多數 hPSCs 衍生的類器官仍然具有胎兒或新生兒的特征，仍需要做更多的工作來進一步改善其成熟狀態。

圖1 不同來源的類器官發展時間線^[2]

2019 年底暴發的新冠疫情迅速席卷了全球，嚴重威脅了全球人類的生命安全。SARS-CoV-2 不僅引起嚴重的呼吸道疾病，還會損壞大腦、心臟、肝、腎、腸道及胰腺等器官，引起諸如精神、認知及身體障礙、靜脈血栓、心肌炎、心力衰竭、急性腎損傷、肝損傷及急性腦血管疾病等并發癥（圖2）。因此，科研人員迫切需要合適的體內及體外模型來研究 SARS-CoV-2 感染、病理生理學及藥物和疫苗的篩選。由于類器官具備上文所提及的各種優勢，并且多種器官的類器官被成功構建，所以類器官被廣泛的應用于 SARS-CoV-2 的研究。

圖2 COVID-19 患者不同器官并發癥^[2]

呼吸系統類器官

SARS-CoV-2 主要靶向呼吸系統的上皮細胞，引起患者的嚴重咳嗽、過度粘液分泌及呼吸短促等。為了研究病毒感染后機體的病理改變，篩選潛在的治療策略，科研人員構建了肺泡、呼吸道及支氣管類器官。Shuibing Chen 團隊利用 hPSCs 來源的肺泡類器官，從 FDA 批準的藥物中篩選到了 3 種 SARS-CoV-2 進入抑制劑：伊馬替尼（imatinib），麥考酚酸（mycophenolic acid）以及鹽酸米帕林（quinacrine dihydrochloride）^[3]。另外，肺泡類器官感染實驗表明 SARS-CoV-2 受體 ACE2 主要表達在二型肺泡上皮細胞（Type 2 alveolar epithelial cell，AT2 cell）上，并且，AT2 細胞被感染后表現出與 COVID-19 患者肺部相同的特征，包括 Type I/III 干擾素反應，干擾素介導的炎癥反應，表面活性蛋白的缺失以及凋亡。成體呼吸道類器官（adult airway organoids, adult AWOs）還可以被用來研究 SARS-CoV-2 突變體的復制動力學特征。通過比較 SARS-CoV-2 感染的支氣管類器官（bronchial organoids, BCOs）與其他細胞類型的高通量表達矩陣數據，集落刺激因子 3 (CSF3) 被確定為潛在的藥物靶點。綜上所述，呼吸系統類器官復現了體內 SARS-CoV-2 感染的特征，可用于 SARS-CoV-2 病理學研究及藥物篩選等。

腸道類器官

COVID-19 患者常常表現出腹瀉、嘔吐及腹痛等胃腸道癥狀。腸道類器官則被用于 SARS-CoV-2 相關的腸道病理生理學研究，其中包括 hPSCs 來源及成體小腸類器官（small intestinal organoids, SIOs）、結腸類器官（colonic organoids, COs）及回腸類器官（ileal organoids, ILOs）。hPSCs 來源的 SIOs 和 COs 均能被 SARS-CoV-2 感染，并且表現出超微結構的改變以及強烈的轉錄反應。事實上，hPSCs 來源的 COs 已經被用于驗證 SARS-CoV-2 進入抑制劑的抗病毒效果，并且與肺類器官有相似的表現^[3]。這也說明腸類器官可以作為 SARS-CoV-2 感染的疾病模型用于藥物篩選。腸道類器官也能很好的復現腸道新冠病毒感染：SARS-CoV-2 和 SARS-CoV 在 SIOs 上表現出截然不同的病毒-宿主互作動力學特征，SARS-CoV 傳播迅速但引起的細胞反應更小，而 SARS-CoV-2 雖然復制能力低但能引起更強烈的細胞反應。

腦類器官

COVID-19 患者會罹患一系列神經癥狀，嚴重程度從嗅覺、味覺喪失，記憶喪失到威脅生命的中風。hPSCs 來源的腦類器官包括全腦類器官和腦區類器官，免疫染色發現皮質、海馬、下丘腦及中腦均能檢測到 SARS-CoV-2 感染，而神經元和星形膠質細胞檢測到的則很有限。盡管如此，星形膠質細胞卻能促進腦類器官中 SARS-CoV-2 的感染。除此以外，hPSCs 來源的脈絡叢類器官（choroid plexus organoids, CPOs）也被用來研究 COVID-19 患者的腦損傷。SARS-CoV-2 在 CPOs 中能引發炎癥反應及細胞功能缺陷并伴隨著細胞死亡，并且 SARS-CoV-2 能破壞上皮細胞之間的緊密連接，在 CPOs 中引起腦脊液滲漏。綜上所述，腦類器官是研究 SARS-CoV-2 感染引起腦損傷的良好體外模型。

除了以上提及的幾種類器官，腎、肝、扁桃體等類器官也被用于 SARS-CoV-2 研究，在綜述里都有詳細的描述^[2]。

前景

盡管類器官用作 SARS-CoV-2 疾病模型取得了重要進展，但是還有許多方面需要進一步優化，其中包括給類器官增加免疫細胞及血管系統，利用 3D 生物打印及器官芯片技術進一步模擬人體系統的生理及病理狀態，利用單細胞技術深入研究病毒-宿主互作，利用基因組測序及基因編輯技術研究病毒感染時基因型和表現之間的相關性。

現有的類器官大部分只含有組織或器官的細胞組分，不含有免疫細胞，而免疫細胞在 COVID-19 的病理生理學及疾病進展方面發揮的作用可能比病毒感染本身更加重要。因此，利用體外類器官和免疫細胞共培養體系能更好的了解被感染宿主細胞和免疫細胞之間的互作，及免疫細胞在組織或器官損傷中的作用。類器官的另一個缺陷是缺乏血管系統。將類器官和血管上皮細胞、周細胞共培養形成一個具備合適空間結構的含血管類器官為進一步開發類器官模型提供了希望。具備免疫細胞及血管的類器官將進一步推動新發病毒性傳染病的研究（圖3）。

圖3 血管-免疫-肺泡類器官的開發

器官芯片技術是利用微液流裝置創建的動態和可控的微環境來培養類器官，適合研究病毒-宿主互作，病毒治療的耐藥性的演變，新型抗病毒療法的開發以及潛在的病毒發病機制。

總結

現階段類器官確實為 COVID-19 疾病模型的構建以及藥物篩選做出了貢獻，但是由于其缺乏免疫細胞、血管系統及器官間互作，還不能完全替代動物模型。未來，隨著類器官復雜化及器官芯片等技術的應用，類器官必將為新發病毒感染的研究做出更多的貢獻。

參考文獻

[1] T. Sato, R.G. Vries, H.J. Snippert, M. van de Wetering, N. Barker, D.E. Stange, J.H. van Es, A. Abo, P. Kujala, P.J. Peters, and H. Clevers, Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche. Nature 459 (2009) 262-5.

[2] Y. Han, L. Yang, L.A. Lacko, and S. Chen, Human organoid models to study SARS-CoV-2 infection. Nat Methods 19 (2022) 418-428.

[3] Y. Han, X. Duan, L. Yang, B.E. Nilsson-Payant, P. Wang, F. Duan, X. Tang, T.M. Yaron, T. Zhang, S. Uhl, Y. Bram, C. Richardson, J. Zhu, Z. Zhao, D. Redmond, S. Houghton, D.T. Nguyen, D. Xu, X. Wang, J. Jessurun, A. Borczuk, Y. Huang, J.L. Johnson, Y. Liu, J. Xiang, H. Wang, L.C. Cantley, B.R. tenOever, D.D. Ho, F.C. Pan, T. Evans, H.J. Chen, R.E. Schwartz, and S. Chen, Identification of SARS-CoV-2 inhibitors using lung and colonic organoids. Nature 589 (2021) 270-275.

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