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类胡萝卜素成为疾病建模和药物发现的强大工具

自组装成三维结构的培养细胞簇只有几毫米宽,看起来就像微小的斑点。但是,这些被称为类器官的组织使科学家能够研究健康和疾病中的生物学过程,并以前所未有的方式找到潜在的新治疗策略。

这是因为类器官可以模仿多种人体组织的许多解剖学和功能特征,并且对于某些组织类型,可以比其他模型(例如细胞系或动物模型)更有效地创建类器官。他们的三维组织可以捕获器官结构和细胞关系的大部分复杂性,这可能与实际患者组织更相关。源自患者的类器官可能会提供个性化的疾病模型,这与精确医学更加接近。

麻省理工学院和哈佛大学及其他研究所的研究人员花费了数年的时间开发和完善各种类器官的方法。在过去的几年中,这些方法已经发展到足以使研究人员以可靠,可重复的方式获得类器官的能力,使其成为具有许多优点的可行的研究工具。

与整个器官或实验动物相比,类器官更易于进行实验室检查。可以对它们进行基因工程改造或对其进行化学处理,以探索特定基因,蛋白质或途径的作用。他们还非常适合高分辨率成像和单细胞基因组学或转录组学研究,揭示了广泛的科学见解。

这是广泛研究小组的三个研究小组的快照,他们使用不同类型的类器官来寻找新的药物靶标并发现疾病的机制。

脑类器官:神经发育疾病的窗口

作为一名发育神经生物学家,研究所成员Paola Arlotta希望了解人脑的发育和功能,尤其是控制我们最复杂(也可以说是最人类)行为的大脑皮层。但是研究啮齿动物和神经元细胞系只会使她走得更远。

“即使与我们最亲密的亲戚相比,人类的大脑也在进化过程中发生了变化,”阿洛特塔说。他也是哈佛大学干细胞与再生生物学系系主任,也是布洛德斯坦利精神病学研究中心的准成员。“因此,通过研究其他物种的大脑,我们只能了解到我们自己的大脑是如何构成的。”

人脑类器官可以填补这一空白。这些葡萄干大小的类器官缺乏血管和可识别的大脑结构或层,但在超微结构水平上,该组织看起来与真实的大脑几乎没有区别,具有大多数关键的细胞类型,神经元之间的连接,甚至是活动的电路。

更重要的是,如果大脑类器官是从具有与复杂的精神病或神经发育障碍(例如精神分裂症和自闭症)相关的基因变异的细胞中生长出来的,那么它们可能以比非人类模型更为丰富的方式概括这些遗传变化的影响。“我们从来没有合适的实验系统来询问人类大脑中疾病风险基因的突变,而这正是类器官给我们带来的,”阿洛塔说。

她和她的实验室投入了数年的时间来改善类器官的操作规程,并开发出使组织生长较长时间(数月至数年)的方法,以更好地代表大脑成熟的后期阶段。Arlotta和她的同事在2019年的Nature论文中表明,即使从不同的干细胞中,在不同的生长条件下生产出来,它们也可以产生长寿的类器官,从而形成整个皮质细胞类型。

她说:“最重要的是,类器官可以可复制地制造皮质细胞,每次都在每个类器官中制造出相同的细胞。”

可靠的生成脑器官的方法使Arlotta的研究小组现在可以使用它们来解开包括自闭症在内的神经发育障碍的生物学复杂性。自闭症最常与复杂的遗传背景有关,其中许多不同的基因变异可能导致这种疾病。但是在极少数情况下,与自闭症有关的特征的发展可能与一种或几种特定的突变密切相关。Arlotta的小组正在产生带有这种自闭症相关突变的类器官,然后将它们与从相同细胞系中生长但没有突变的类器官进行比较。

Arlotta指出,“这类工作是了解遗传变化如何随着时间影响大脑回路功能的基础”。研究人员还可以比较在不同遗传背景下含有相同突变的大脑类器官,阿洛塔认为,这将对这种疾病的表现产生重大影响。也许有一天,自闭症患者的细胞产生的大脑类器官可能会进一步阐明潜在遗传学的广度和多样性。

她说,类器官不是用来代替小鼠和其他模型系统的。但是对于某些问题,它们提供了以前无法实现的前进方向:研究人体组织疾病的机会。阿洛塔说:“尽管这些类器官仍然很原始,但它们打开了一扇从未打开过的门。” “而且我相信我们有责任抓住机会,以这种新的有前途的方式研究这些疾病的遗传学。”

肾脏类器官:药物发现的平台

布莱根妇女医院和哈佛医学院的细胞生物学家,医生安娜·格雷卡说:“肾脏的复杂性仅次于人脑。” 类器官可以捕获更多这种复杂的分层器官的3-D结构。

格雷卡(Greka)的研究小组证明,肾脏类器官可以作为人类肾脏的高度可再现,高质量的代表。在去年发表在《自然通讯》上的一篇论文中,他们分析了49种类器官的超过45万个单个细胞,这些类器官是通过广泛使用的方法从四个不同性别和年龄的人那里获得的。研究小组表明,类器官在相互之间以及与肾脏之间都具有高度的可比性。

同时,Greka的实验室正在展示类器官作为药物发现疾病模型的潜力。在她所说的“在盘子里进行迷你功效试验”中,她的团队从三名患有黏蛋白1肾病的遗传性疾病患者捐赠的细胞中提取了类器官,并将它们与其他未患病的兄弟姐妹中获得的细胞进行了比较。正如2019年Cell论文所述,研究人员发现了患者类器官小管中捕获的错折叠的突变粘蛋白1蛋白,就像其器官中一样。

有了这些知识,研究小组测试了潜在的药物化合物,发现了一种可以消除类器官以及工程中具有相同错误折叠蛋白的小鼠肾脏中的突变蛋白。他们确定了该药物的靶标为称为TMED9的分子,并表明无论突变体蛋白在患者类器官中积累的何处,它均被上调。格雷卡说:“我们能够将类器官作为系统来深入了解这种疾病的可能机制甚至疗法。”

她希望以此为基础,探索患者遗传背景的作用。格雷卡说:“并不是我们所有人都以同样的方式患上疾病。我们的遗传背景和易感性可能与此有关。” “类器官可以在我们的研究中发挥个体患者的遗传背景,并向我们展示其如何影响人类疾病表现方式所见的变异性。这是成千上万目前无法治愈的人需要急需的精确疗法的有希望的途径疾病。”

Greka说,TMED9研究显示了类器官对探索机制和临床相关问题的能力,但真正的证据将是第一个类器官开发的疗法获得批准时。包括格雷科(Greka)在内的波士顿生物技术公司Goldfinch Bio在内的数家生物技术公司已经开发了肾脏类器官平台,以将候选分子推向临床。

肿瘤类器官:“癌症研究的未来”

研究所的科学家杰西·勃姆说,癌细胞系一直是癌症研究的主要力量,但是由患者的肿瘤细胞生长而来的肿瘤类器官易于制造和制造。他的团队,广泛的癌细胞系工厂(CCLF),是由美国国家癌症研究所(NCI)牵头的国际联盟的一部分,该联盟称为“人类癌症模型倡议”,其目标是制造1000种患者来源的肿瘤类器官培养物并添加他们到NCI的肿瘤模型库中。

迄今为止,CCLF团队已经创建了数百种肿瘤器官,其中许多来自罕见癌症。每个类器官模型都用其关键分子特征(包括种系和原发性肿瘤DNA序列)以及重要的是患者的临床数据(如人口统计学,疾病阶段,耐药性,对先前治疗的反应等)进行注释。Broad在联盟合作伙伴中是独一无二的,因为它也在开发和共享类器官生长协议。

随着越来越多的癌症模型需要分析,CCLF团队现在正在使用类器官来扩大他们在更多癌症中对基因脆弱性的搜索范围。最终目标是找到针对更多患者的这些漏洞的精确治疗方法。勃姆说,如今只有约25%的癌症患者接受了与肿瘤的遗传组成相匹配的治疗。

Boehm说:“您可以制作代表患者多样性的完整类器官。” 这对于像癌症这样的复杂疾病至关重要,在该疾病中,患者的遗传背景可能会对疾病进程或最佳治疗产生重大影响。

Boehm是癌症依赖图(DepMap)计划的科学总监,该计划系统地确定了对于肿瘤生长必不可少的基因突变。因为肿瘤细胞在很大程度上依赖于这些突变的存活,所以突变也是癌症药物可以利用来杀死细胞的脆弱性。勃姆说:“我们的目标是能够对患者的肿瘤进行治疗,对其进行分子分析并预测其脆弱性。” “然后,我们可以通过将它们定位为药物来利用这些遗传学。”

Boehm说,通过提供针对更广泛肿瘤的模型,肿瘤类器官将扩展DepMap的功能。例如,相对容易生产意味着研究人员可以在肿瘤发展的多个时间点或阶段从同一名患者身上制作类器官。这将使科学家能够更多地了解肿瘤如何随时间变化,例如耐药性的发展。

为了将肿瘤类器官整合到DepMap中,Boehm和Broad的一些合作者,包括DepMap副总监Francisca Vasquez,David Root,Broad的遗传扰动平台高级总监,研究所成员William Hahn等,都在开发高通量的筛查方法遗传脆弱性的肿瘤类器官。他们正在使用CRISPR技术来系统敲除类器官中的每个基因,然后针对潜在的药物靶点筛选类器官。到目前为止,他们已经能够优化大约十二个屏幕,并且正在应对扩大流程的挑战。

Boehm预测,在几年内,针对基本癌症研究的肿瘤类器官将超过癌细胞系。他说:“我认为类器官是癌症研究的未来。” “不是因为它们一定更好,而是因为它们更容易获得。”

他补充说,肿瘤类器官将在癌症精密医学中发挥关键作用,在癌症精密医学中,癌症患者可以对他们的肿瘤基因组进行测序,并根据该分子概况,给予最有可能有效的治疗方法。勃姆说:“我认为类器官研究是我们研究和治疗癌症下一步工作的一部分。”

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