不同類型3D類器官在新冠病毒研究中的應用
2023年5月5日，世界衛生組織總干事譚德塞在日內瓦舉行的發布會上宣布，新冠疫情不再構成“國際關注的突發公共衛生事件”。但譚德塞在發布會上也指出，宣布新冠疫情不再構成“國際關注的突發公共衛生事件”，這并不意味著新冠作為一種全球健康威脅已經結束。上周，新冠仍然每三分鐘就奪走一條生命，全世界仍然有成千上萬的人正在重癥監護室里為他們的生命而戰。新冠病毒不會消失，人類要加強對自然界的監控。同時，藥物、免疫治療的研究不能停下，以防以后再有類似情況發生。
2019新型冠狀病毒肺炎已經成為一場“大流行病”，這一致命的疾病對人體多器官造成了損傷，包括呼吸系統、胃腸道系統和神經系統等。類器官作為一種具有自我更新、自我組織能力和再現來源組織生物學結構和功能的新型研究模型，已廣泛應用于新冠病毒研究。它不僅能模擬新冠肺炎的感染機制、臨床特征，還能為抗病毒藥物篩選帶來新的希望。
類器官模型特性
 圖1 不同來源的干細胞形成的類器官（圖片來源于文獻[1]） |
類器官(organoids)是一種利用胚胎干細胞(embryomic stem cells，ESCs)、誘導多能干細胞(inducedpluripotent stem cells，iPSCs)或成體干細胞(adult/tissuestem cells，ASCs)獲得的三維構建體。 |
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類器官模型擁有與來源組織器官類似的空間組織并能重現相應器官的部分功能，已應用于包括肺、腸道、胃、肝臟、腎臟、大腦、視網膜等多種正常或腫瘤組織的類器官研究模型中。 |
類器官培養常用小分子化合物
小分子化合物是指分子量小于1000Da（尤其小于500 Da），具有生物學活性的化合物。小分子化合物與細胞因子和蛋白不同，小分子可以透過細胞膜進入細胞，發揮相應的生物學功能。小分子化合物的作用靶點眾多，已廣泛應用于干細胞、類器官、免疫學、神經生物學、表觀遺傳學、細胞凋亡、離子通道、腫瘤學和信號轉導等生命科學中諸多重要的研究領域。
表1 類器官培養常用小分子化合物
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產品名稱 |
作用及推薦濃度 |
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Y-27632 |
處理人胚胎干細胞1h，可抑制干細胞的凋亡，提高克隆效率，延長細胞的傳代。推薦工作濃度：10μM。 |
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SB202190(FHPI) |
可誘導人胚胎干細胞向心肌細胞分化，促進神經干細胞的自我更新，可用于胃腸道、乳腺類器官的培養。推薦工作濃度：10μM。 |
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CHIR-99021 |
可誘導人胚胎干細胞向內胚層分化，在腎臟和視網膜類器官培養中用到。與其他試劑結合使用，能刺激體細胞重編程為干細胞。推薦工作濃度：3μM |
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A 83-01 |
用于肝臟、前列腺以及乳腺類器官的培養，抑制iPSCs的分化，維持體外細胞的自我更新。推薦工作濃度：2μM，現配現用。 |
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胃膜素(人) |
用于胃腸道類器官的研究。腸道及肝臟類器官培養時，需要添加胃泌素來延長類器官的存活時間。推薦工作濃度：10nM |
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煙酰胺 |
促進間充質干細胞分化成胰島素生成細胞，抑制sirtuins活性，并用于促進類器官的形成和延長類器官的壽命。推薦工作濃度：10mM。 |
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佛司可林 |
誘導多種類型細胞的分化并激活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編程為iPSCs。肝臟類器官培養的過程中必須添加該物質。推薦工作濃度：1-10μM。 |
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前列腺素E2 |
前列腺素E2(PGE2)與特異的受體結合后可介導細胞增殖、分化，在肝臟類器官和前列腺類器官培養時需要添加。推薦工作濃度：500nM |
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乙酰半胱氨酸 |
抗氧化劑谷胱甘肽的前體，具有抗氧化作用，也是ROS抑制劑，抑制神經元細胞凋亡，在大多數類器官的培養過程中都需要添加該物質。推薦工作濃度：1mM。 |
類器官在新冠病毒研究中的應用
新冠患者表現出的癥狀多種多樣，常見臨床癥狀為呼吸系統損傷，部分患者出現急性心衰、肝腎損傷等多器官功能衰竭[2]。而病人尸檢結果顯示，在多種組織和器官中都檢測到了病毒基因組，如肺、腸、咽、心臟、肝臟、腎臟、大腦等[3]。病毒如何進入人體不同組織的細胞，如何在宿主細胞內復制，宿主與病原體之間的相互作用，這些研究需要一個能展示組織結構組成信息及組織生理功能的模型，而源自不同組織類型的類器官已應用于新冠病毒感染研究中，成為研究新冠病毒感染病理生理學以及藥物評估和體外毒理學研究的良好模型（表2）。
表2 不同類型3D類器官在新冠病毒中的研究
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類器官類型 |
來源 |
研究內容 |
參考文獻 |
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肺 |
iPSCs |
病毒感染AT2細胞，并誘導強烈的趨化因子響應，用于高通量抗病毒藥物篩選。 |
[4] |
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血管 |
iPSCs |
病毒感染，hrsACE2顯著抑制感染。 |
[5] |
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小腸 |
人小腸組織 |
病毒感染小腸類器官中的腸上皮細胞，引起病毒響應程序。 |
[6] |
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眼 |
ESCs |
病毒感染角膜緣，引起強烈的NF-κB響應，Ⅰ/Ⅲ型干擾素下調。 |
[7] |
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結腸 |
人結腸組織 |
病毒感染并在類器官中復制。 |
[8] |
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腦 |
iPSCs |
病毒感染脈絡叢上皮，導致炎癥反應失調、血腦脊液屏障功能受損。 |
[9] |
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腎 |
ESCs |
病毒感染，hrsACE2顯著抑制感染。 |
[10] |
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肝膽管 |
iPSCs |
分別誘導分化形成肝臟類器官和膽管類器官；病毒感染引起趨化因子響應。 |
[11] |
類器官原代培養操作流程
