疾病研究新范式：類器官和器官芯片技術

2024-08-08 14:00:11 156閱讀次數

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類器官是由來源于健康個體或患者的多能干細胞或成體干細胞培育而成的三維立體微型結構，通過將3D器官型系統培養與微流控技術相結合，產生“器官芯片”。這些芯片模型在可控的干細胞微環境中，能夠模擬更為復雜的器官結構和功能，從而促進了類器官的發展和成熟^[1]。

相比傳統的二維培養模型，類器官代表著一種能夠概括整個生物體生理過程的創新技術，具有更接近生理細胞組成和行為、更穩定的基因組、更適合于生物轉染和高通量篩選等優勢。與動物模型相比，類器官模型的操作更簡單，還能用于研究疾病發生和發展等機理。

類器官技術提供了模擬由誘導突變引起的人類遺傳疾病的理想模型。通過使用CRISPR/Cas9等基因編輯技術，可以研究某些和遺傳缺陷相關的疾病。此外，為高通量藥物發現提供潛在的研究工具，實現準確的毒性測試和臨床前研究。因此在疾病模型構建、神經退行性疾病研究、癌癥研究、毒性研究等領域均有著廣泛的應用。

疾病模型構建

類器官可以在器官水平上模擬疾病病理學特征，并為后續的轉化研究提供有效的疾病模型。例如，通過建立患者胃腸道腫瘤的類器官庫，使用從穿刺活檢組織中解離的細胞，懸浮于基質膠中培養產生患者來源的類器官，與原始體內腫瘤顯示出高度的基因型和表型相似性^[2]。

神經退行性疾病研究

通過構建基底干細胞衍生的嗅覺上皮類器官作為阿爾茨海默病的研究模型，采用多模態時空監測技術，將阻抗生物傳感器和實時成像相結合，記錄類器官組織的生長發展及阿爾茨海默病的發展進程。利于深入探索神經退行性疾病的發展機制，并助力開發新的治療方法^[3]。

癌癥機制探索

通過將腫瘤組織來源的癌癥類器官與微流控設備相結合，“癌癥芯片”可以模擬重建腫瘤及其微環境，有助于更好地了解其在體內的行為，改善藥物療效的臨床前評估。通過構建微流控腫瘤-血管界面模型，可以進一步研究腫瘤組織與其他器官之間的相互作用。例如，構建模擬腫瘤和血管之間的3D界面模型，以研究腫瘤細胞侵入血管的過程；使用實時成像跟蹤不同隔室之間的相互作用，發現巨噬細胞介導的血管損傷促進了腫瘤細胞的侵入^[4]。

毒性研究

類器官和器官芯片被廣泛應用于毒性研究，以提高藥物研發的效率，減少對動物的依賴，同時提高藥物的安全性和有效性。器官芯片通過構建體內細胞和器官的關鍵生物學特征，重現更具生理學特性、更加接近于人體的微環境。例如，通過構建肝臟類器官芯片用于毒性研究：模擬肝臟的代謝、解毒和藥物代謝功能，評估化合物對肝臟的毒性^[5]。

未來展望

類器官是在細胞和分子水平上對人體組織和器官進行模擬的強大工具，被認為是個性化醫學中的替身。類器官的應用可為疾病模型構建、神經退行性疾病研究、癌癥研究、毒性研究等方面提供很好的輔助，對于精準醫療與轉化醫學研究是有價值的研究材料與資源。

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參考文獻

1. Yan HHN, Chan AS, Lai FP, Leung SY. Organoid cultures for cancer modeling. Cell Stem Cell. 2023, 30(7): 917.

2. Sun WJ, Luo ZM, Lee JM, et al. Organ-on-a-Chip for Cancer and Immune Organs Modeling. Advanced healthcare materials. 2019, 8: 1801363.

3. Liu MX, Jiang N, Qin CL, et al. Multimodal spatiotemporal monitoring of basal stem cell-derived organoids reveals progression of olfactory dysfunction in Alzheimer's disease. Biosens Bioelectron. 2024, 246: 115832.

4. Zervantonakis IK, Hughes-Alford SK, Charest JL, etal. Three-dimensional microfluidic model for tumor cell intravasation and endothelial barrier function. Proc Natl Acad Sci U S A. 2012, 109: 13515.

5. Messelmani T, Morisseau L, Sakai Y, etal. Liver organ-on-chip models for toxicity studies and risk assessment. Lab Chip. 2022, 22: 2423.