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类器官技术：赋能新冠病毒研究

来源：美谷分子仪器（上海）有限公司分类：动态 2023-11-06 10:23:51 40阅读次数

经过十余年的发展，多种器官的类器官得以在体外构建成功，类器官也为很多疾病提供了优良的体外模型。恰逢 COVID-19 流行，类器官也被用于研究 SARS-CoV-2 的致病机理研究及药物筛选。对此，Yuling Han 等人对人类类器官模型在 SARS-CoV-2 感染领域的应用进行了综述。

2009 年，荷兰 Hubrecht 研究所的 Hans Clevers 团队首次在体外将肠道干细胞培养成具有类肠的隐窝状和绒毛状上皮区域的三维结构，即小肠类器官，由此开启了类器官的研究^[1]。自那以后，类器官研究步入了高速发展期，经过十余年的发展，已有多种类器官在体外构建成功，包括：肠、胃、视网膜、脑、肝、肾、肺、胰腺、心脏、呼吸道、血管以及胎盘类器官等（图1）。作为一种前沿的科研方法，类器官技术已被应用于疾病模型构建、药物发现、个性化药物筛选、药敏检测、发育生物学、病理学、细胞生物学、再生医学及精准医学等领域。相较于 2D 培养的细胞，类器官能更好的模拟体内生理特征，更适合用于研究细胞间通讯及形态发生。另外，相较于动物模型，类器官更适合用于高通量筛选，并且具有更高的可操作性。

类器官的构成来源主要包括两种：一种是人类多能干细胞（human pluripotent stem cells, hPSCs），包括胚胎干细胞（embryonic stem cells, ESCs）、诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）等；另一种是成体组织。两者在可获得性、可编辑性、成熟度和多样性方面各有利弊。理论上，hPSCs 具有无限的增殖能力和在所有三个胚层中产生类器官的发育潜力，并且 hPSCs 能轻松地扩大培养，用于大规模研究，比如药物筛选及代谢分析。相比之下，成体类器官自我更新能力有限，这就限制了它在大规模研究中的应用。另外，hPSCs 来源的类器官在基因编辑方面更易达成，便于研究单个变异在病毒感染中的生物学功能。成体类器官的优势在于其良好的成熟度，这是 hPSCs 来源的类器官所不具备的，大多数 hPSCs 衍生的类器官仍然具有胎儿或新生儿的特征，仍需要做更多的工作来进一步改善其成熟状态。

图1 不同来源的类器官发展时间线^[2]

2019 年底暴发的新冠疫情迅速席卷了全球，严重威胁了全球人类的生命安全。SARS-CoV-2 不仅引起严重的呼吸道疾病，还会损坏大脑、心脏、肝、肾、肠道及胰腺等器官，引起诸如精神、认知及身体障碍、静脉血栓、心肌炎、心力衰竭、急性肾损伤、肝损伤及急性脑血管疾病等并发症（图2）。因此，科研人员迫切需要合适的体内及体外模型来研究 SARS-CoV-2 感染、病理生理学及药物和疫苗的筛选。由于类器官具备上文所提及的各种优势，并且多种器官的类器官被成功构建，所以类器官被广泛的应用于 SARS-CoV-2 的研究。

图2 COVID-19 患者不同器官并发症^[2]

呼吸系统类器官

SARS-CoV-2 主要靶向呼吸系统的上皮细胞，引起患者的严重咳嗽、过度粘液分泌及呼吸短促等。为了研究病毒感染后机体的病理改变，筛选潜在的治疗策略，科研人员构建了肺泡、呼吸道及支气管类器官。Shuibing Chen 团队利用 hPSCs 来源的肺泡类器官，从 FDA 批准的药物中筛选到了 3 种 SARS-CoV-2 进入抑制剂：伊马替尼（imatinib），麦考酚酸（mycophenolic acid）以及盐酸米帕林（quinacrine dihydrochloride）^[3]。另外，肺泡类器官感染实验表明 SARS-CoV-2 受体 ACE2 主要表达在二型肺泡上皮细胞（Type 2 alveolar epithelial cell，AT2 cell）上，并且，AT2 细胞被感染后表现出与 COVID-19 患者肺部相同的特征，包括 Type I/III 干扰素反应，干扰素介导的炎症反应，表面活性蛋白的缺失以及凋亡。成体呼吸道类器官（adult airway organoids, adult AWOs）还可以被用来研究 SARS-CoV-2 突变体的复制动力学特征。通过比较 SARS-CoV-2 感染的支气管类器官（bronchial organoids, BCOs）与其他细胞类型的高通量表达矩阵数据，集落刺激因子 3 (CSF3) 被确定为潜在的药物靶点。综上所述，呼吸系统类器官复现了体内 SARS-CoV-2 感染的特征，可用于 SARS-CoV-2 病理学研究及药物筛选等。

肠道类器官

COVID-19 患者常常表现出腹泻、呕吐及腹痛等胃肠道症状。肠道类器官则被用于 SARS-CoV-2 相关的肠道病理生理学研究，其中包括 hPSCs 来源及成体小肠类器官（small intestinal organoids, SIOs）、结肠类器官（colonic organoids, COs）及回肠类器官（ileal organoids, ILOs）。hPSCs 来源的 SIOs 和 COs 均能被 SARS-CoV-2 感染，并且表现出超微结构的改变以及强烈的转录反应。事实上，hPSCs 来源的 COs 已经被用于验证 SARS-CoV-2 进入抑制剂的抗病毒效果，并且与肺类器官有相似的表现^[3]。这也说明肠类器官可以作为 SARS-CoV-2 感染的疾病模型用于药物筛选。肠道类器官也能很好的复现肠道新冠病毒感染：SARS-CoV-2 和 SARS-CoV 在 SIOs 上表现出截然不同的病毒-宿主互作动力学特征，SARS-CoV 传播迅速但引起的细胞反应更小，而 SARS-CoV-2 虽然复制能力低但能引起更强烈的细胞反应。

脑类器官

COVID-19 患者会罹患一系列神经症状，严重程度从嗅觉、味觉丧失，记忆丧失到威胁生命的中风。hPSCs 来源的脑类器官包括全脑类器官和脑区类器官，免疫染色发现皮质、海马、下丘脑及中脑均能检测到 SARS-CoV-2 感染，而神经元和星形胶质细胞检测到的则很有限。尽管如此，星形胶质细胞却能促进脑类器官中 SARS-CoV-2 的感染。除此以外，hPSCs 来源的脉络丛类器官（choroid plexus organoids, CPOs）也被用来研究 COVID-19 患者的脑损伤。SARS-CoV-2 在 CPOs 中能引发炎症反应及细胞功能缺陷并伴随着细胞死亡，并且 SARS-CoV-2 能破坏上皮细胞之间的紧密连接，在 CPOs 中引起脑脊液渗漏。综上所述，脑类器官是研究 SARS-CoV-2 感染引起脑损伤的良好体外模型。

除了以上提及的几种类器官，肾、肝、扁桃体等类器官也被用于 SARS-CoV-2 研究，在综述里都有详细的描述^[2]。

前景

尽管类器官用作 SARS-CoV-2 疾病模型取得了重要进展，但是还有许多方面需要进一步优化，其中包括给类器官增加免疫细胞及血管系统，利用 3D 生物打印及器官芯片技术进一步模拟人体系统的生理及病理状态，利用单细胞技术深入研究病毒-宿主互作，利用基因组测序及基因编辑技术研究病毒感染时基因型和表现之间的相关性。

现有的类器官大部分只含有组织或器官的细胞组分，不含有免疫细胞，而免疫细胞在 COVID-19 的病理生理学及疾病进展方面发挥的作用可能比病毒感染本身更加重要。因此，利用体外类器官和免疫细胞共培养体系能更好的了解被感染宿主细胞和免疫细胞之间的互作，及免疫细胞在组织或器官损伤中的作用。类器官的另一个缺陷是缺乏血管系统。将类器官和血管上皮细胞、周细胞共培养形成一个具备合适空间结构的含血管类器官为进一步开发类器官模型提供了希望。具备免疫细胞及血管的类器官将进一步推动新发病毒性传染病的研究（图3）。

图3 血管-免疫-肺泡类器官的开发

器官芯片技术是利用微液流装置创建的动态和可控的微环境来培养类器官，适合研究病毒-宿主互作，病毒治疗的耐药性的演变，新型抗病毒疗法的开发以及潜在的病毒发病机制。

总结

现阶段类器官确实为 COVID-19 疾病模型的构建以及药物筛选做出了贡献，但是由于其缺乏免疫细胞、血管系统及器官间互作，还不能完全替代动物模型。未来，随着类器官复杂化及器官芯片等技术的应用，类器官必将为新发病毒感染的研究做出更多的贡献。

参考文献

[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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