類器官模型的發展 

Organoid模型最初始於動物胚胎的體外培養實驗，到後來透過細胞外基質培養以及調控人類胚胎幹細胞分化的方式，逐漸使傳統的細胞培養模式進步到3D的空間結構。後來在2009年，一項具有里程碑意義的研究發現，表達G蛋白偶聯受體5 (Lgr5) 的成人腸幹細胞可以在基質膠中分化成隱窩絨毛結構形成3D腸類器官。為之後其他系統的類器官奠定了基礎，到目前包括胃、肝、胰、肺、腎、腦和視網膜，都已有類器官模型正在逐漸開發。

 

 

類器官的定義與應用

類器官模型是由誘導性多功能幹細胞(Induced pluripotent stem cell)或成體幹細胞 (Adult stem cell)衍生的一種三維培養系統，其特點包括:

  • 能夠建構出類似體內的來源組織或器官的複雜空間形態
    相對傳統二維細胞培養模型更能反映不同細胞間以及細胞與基質間的相互作用，理想狀態下甚至能表現出相似的生理反應。
  • 針對個體進行類器官模型建立
    彌補傳統臨床前試驗動物模型與人體的物種差異，又保留細胞模型能大規模進行篩選和基因編輯的優點，應用在藥物有效性毒性的篩選及測試。 
  • 建立資料庫
    透過建立和比對一般人和病人的類器官模型，能幫助分析包含癌症、感染症和遺傳性疾病的病理機制。

 

organoid

 

 

幹細胞與類器官的培養 

多能幹、祖細胞分離技術的提升以及培養條件的優化與進步促進了類器官模型的發展。其中，類器官的來源幹細胞主要有iPSCs和AdSCs，特點如下:

 

Induced pluripotent stem cell (iPSC)

Adult stem cell (AdSC)

體細胞經過Reprogramming

培養組織幹細胞

所需時間較長

時程相對短

細胞相對年輕，適合胚胎發育研究

細胞狀態接近成熟個體，體外培養的時間相對長

細胞構成較複雜
(包含神經、血管、免疫細胞)

細胞構成相對少

 

  

organoid

 

iPSC或AdSC在與細胞外基質(ECM)混合後，會在特定組合的生長因子培養下，能夠分化成特定的組織細胞，並且組成相似器官的空間結構，其中Wnt、EGF、FGF、R-spondin 1、BMP是主要影響大多數幹細胞分化的重要生長因子，因此生產各式能促進幹細胞生長、分化的重組蛋白，並兼顧其活性，將有助於幹細胞培養及類器官模型的建立和研究。

 

 

類器官的限制與發展

雖然還有些困難需要克服，例如培養條件目前未標準化，各單位之間以不一樣的protocol建立的模型，有比對上的限制。另一方面，目前許多的研究已開始使用動物模型測試類器官移植的有效性，因此相信類器官在未來的發展十分多元且具有潛力。

 

 

 

Organoid Culture 原物料產品

 

 

 

References:

  1. 3D Organoid Culture: New In Vitro Models of Development and Disease
  2. Jihoon Kim, et al., Human organoids: model systems for human biology and medicine. Nat Rev Mol Cell Biol. 2020.
  3. Elisa Suarez-Martinez, et al., 3D and organoid culture in research: physiology, hereditary genetic diseases and cancer. Cell Biosci. 2022.
  4. Kai Kretzschmar. Cancer research using organoid technology. J Mol Med. 2021.
  5. Xiao-Yan Tang, et al., Human organoids in basic research and clinical applications. Signal Transduct Target Ther. 2022.
  6. ATCC Organoid Culture Guide

 

Back