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精準培育|利用小分子化合物催化類器官發展

Updated: May 23


近年來,類器官培養技術(Organoids culture)以其在模擬生理環境中類似器官組織的發展受到廣泛關注。這種技術的核心是利用成體幹細胞或多能幹細胞,在體外三維 (3D) 培育中生成具有一定空間結構的組織類似物。


透過添加活性小分子化合物、重組蛋白和培育基等物質,可以獲得具有特定器官或組織特徵的微型結構,建立與體內來源組織或器官高度相似的模型,並實現長期穩定的繼代培養 [1]

 



▲類器官生成

 

 


類器官的應用前景


類器官是源自人的模型,其組織和功能更貼近生理細胞的組成和行為。類器官具有更穩定的基因組,更適合於生物轉染、大規模基因組篩選或高通量藥物篩選。此外,類器官可以從單個組織或細胞中產生,有助於精準診斷和治療。相較之下,與動物模型相比,類器官模型的操作更為簡便,可用於研究疾病的發生和發展機制。

 

在器官發育、精準醫療、再生醫學、藥物篩選、基因編輯和疾病建模等領域,類器官模型具有廣泛的應用前景。



小分子化合物在類器官培育中的關鍵作用


隨著技術的進步,研究人員不斷改進類器官培育方法,包括利用小分子化合物、重組蛋白以及特殊培養基等。其中利用小分子化合物的應用尤其引人注目。這些小分子能夠模擬細胞信號通路、促進細胞發育和增殖,在類器官培育中扮演著關鍵角色。

 


常見小分子化合物及其在類器官培育中的應用方法



腺苷酸環化酶啟動劑,可以增加細胞內環磷酸腺苷(cAMP)的水準。 Forskolin可以誘導多種類型細胞的分化並啟動核受體PXR和FXR,具有血小板抗凝集和降壓作用,與其他小分子聯合使用時,可誘導成纖維細胞重程式設計為iPSCs。 常用於 神經元分化和肝臟、甲狀腺、血管類器官的培養

  ◆ 推薦使用濃度:10 μM [2]

 


高選擇性 GSK-3α/β抑製劑,也是一種有效的 Wnt/β-catenin 信號通路啟動劑,此外,CHIR-99021能誘導細胞自噬(autophagy),還可以增強小鼠和人類胚胎幹細胞的自我更新。 CHIR-99021和其他試劑結合使用,能刺激體細胞重程式設計為幹細胞,常用於 心臟、肺臟、腎臟和視網膜類器官的培養

  ◆ 推薦使用濃度:2 μM [3]

 


TGF-β通路抑製劑,抑制ALK5/4/7激酶活性,常被用於抑制iPSCs的分化,維持體外細胞的自我更新,在類器官培養中應用廣泛,包括 胃腸道、肝臟、內耳、胰腺、前列腺、甲狀腺以及乳腺類器官的培養

  ◆ 推薦使用濃度:1 μM [4]

  ▲  注意:該產品在溶液狀態下不穩定,建議現配現用。

    (推薦溶解濃度:5 mg加入5.93 mL的DMSO溶液溶解到2 mM,-20°C分裝保存)



具有選擇性TGF-β I 型受體ALK5的抑製劑,對 ALK4 和 ALK7 也有一定的抑制活性。 SB 431542 可以用於幹細胞的誘導分化,以及 肺和內耳類器官 的培養。

  ◆ 推薦使用濃度:10 μM [5]

 


高效的p38 MAPK激酶抑製劑,靶向作用p38α/β,具有抗癌活性。 SB202190可誘導人胚胎幹細胞向心肌細胞分化,促進神經幹細胞的自我更新,可用於 胃腸道、前列腺、乳腺類器官 的培養

  ◆ 推薦使用濃度:10μM [6]

 


ROCK-I 和 ROCK-II的抑製劑,Y-27632 2HCl(T1725)是其二鹽酸鹽形式,對Rock具有同樣的抑製作用。 Y-27632處理人胚胎幹細胞,可抑制幹細胞的凋亡,提高克隆效率,延長細胞的傳代。 Y-27632可用於多種類器官的培養,包括 胃腸道、腦、肺、前列腺、乳腺、血管、視網膜等。

  ◆ 推薦使用濃度:5-10 μM [7](也有文獻用10mM [8],視情況而定)



別名胃泌素1,是胃中產生的內源性肽,可以刺激胃泌酸腺區黏膜和十二指腸黏膜的DNA、RNA和蛋白質合成,從而促進黏膜細胞生長、增殖,常用於 胃腸道、肝臟、胰腺類器官 培養,尤其是在胃腸道類器官的培養過程中,添加Gastrin I可以延長類器官的存活時間。

  ◆ 推薦使用濃度:10 μM [9] (也有文獻用1nM [10],視情況而定)

 

結語


各類小分子化合物、重組蛋白和特殊培養基等新興培育方法為類器官培育提供了更多選擇,有助於深入探究相關組織器官的發育和疾病機制。研究人員可以根據具體實驗需求選擇合適的培育方法,並結合細胞和分子水準的分析,推動這一領域的發展。


大家在進行類器官培養過程中還會用到哪種小分子呢? 歡迎跟宏仔一起分享唷~


 

參考文獻

[1] Rossi G, Manfrin A, Lutolf MP. Progress and potential in organoid research. Nat Rev Genet. 2018; 19(11):671-687. doi:10.1038/s41576-018-0051-9

[2] Sagata N, Kano SI, Ohgidani M, Inamine S, Sakai Y, Kato H, Masuda K, Nakahara T, Nakahara-Kido M, Ohga S, Furue M, Sawa A, Kanba S, Kato TA. Forskolin rapidly enhances neuron-like morphological change of directly induced-neuronal cells from neurofibromatosis type 1 patients. Neuropsychopharmacol Rep. 2020 Dec; 40(4):396-400. doi: 10.1002/npr2.12144. Epub 2020 Oct 10. PMID: 33037790; PMCID: PMC7722681.

[3] Huang J, Guo X, Li W, Zhang H. Activation of Wnt/β-catenin signalling via GSK3 inhibitors direct differentiation of human adipose stem cells into functional hepatocytes. Sci Rep. 2017;7:40716. Published 2017 Jan 17. doi:10.1038/srep40716

[4] He W, Zhu X, Xin A, Zhang H, Sun Y, Xu H, Li H, Yang T, Zhou D, Yan H, Sun X. Long-term maintenance of human endometrial epithelial stem cells and their therapeutic effects on intrauterine adhesion. Cell Biosci. 2022 Oct 18; 12(1):175. doi: 10.1186/s13578-022-00905-4. PMID: 36258228; PMCID: PMC9580151.

[5] Fu GB, Huang WJ, Zeng M, Zhou X, Wu HP, Liu CC, Wu H, Weng J, Zhang HD, Cai YC, Ashton C, Ding M, Tang D, Zhang BH, Gao Y, Yu WF, Zhai B, He ZY, Wang HY, Yan HX. Expansion and differentiation of human hepatocyte-derived liver progenitor-like cells and their use for the study of hepatotropic pathogens. Cell Res. 2019 Jan; 29(1):8-22. doi: 10.1038/s41422-018-0103-x. Epub 2018 Oct 25. PMID: 30361550; PMCID: PMC6318298.

[6] Costa D, Venè R, Coco S, et al. SB202190 Predicts BRAF-Activating Mutations in Primary Colorectal Cancer Organoids via Erk1-2 Modulation. Cells. 2023; 12(4):664. Published 2023 Feb 20. doi:10.3390/cells12040664

[7] Wu Y, Shu J, He C, et al. ROCK inhibitor Y27632 promotes proliferation and diminishes apoptosis of marmoset induced pluripotent stem cells by suppressing expression and activity of caspase 3. Theriogenology. 2016; 85(2):302-314. doi:10.1016/j.theriogenology.2015.09.020

[8] Zhu Y, Wang L, Yin F, Yu Y, Wang Y, Liu H, Wang H, Sun N, Liu H, Qin J. A hollow fiber system for simple generation of human brain organoids. Integr Biol (Camb). 2017 Sep 18; 9(9):774-781. doi: 10.1039/c7ib00080d. PMID: 28795726.

[9] Bartfeld S, Bayram T, van de Wetering M, Huch M, Begthel H, Kujala P, Vries R, Peters PJ, Clevers H. In vitro expansion of human gastric epithelial stem cells and their responses to bacterial infection. Gastroenterology. 2015 Jan; 148(1):126-136.e6. doi: 10.1053/j.gastro.2014.09.042. Epub 2014 Oct 13. PMID: 25307862; PMCID: PMC4274199.

[10] Mahe MM, Aihara E, Schumacher MA, Zavros Y, Montrose MH, Helmrath MA, Sato T, Shroyer NF. Establishment of Gastrointestinal Epithelial Organoids. Curr Protoc Mouse Biol. 2013 Dec 19; 3(4):217-40. doi: 10.1002/9780470942390.mo130179. PMID: 25105065; PMCID: PMC4120977.

 

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