基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院鄧宏魁課題組與合作者組構(gòu)建了具有再生能力的新型類器官
2021年1月8日，北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院干細(xì)胞中心鄧宏魁課題組和徐君課題組在《Cell Research》上發(fā)表了題為“Establishment of intestinal organoid cultures modeling injury-associated epithelial regeneration”的研究論文，在體外構(gòu)建了具有損傷再生特征的新型小腸類器官。類器官（organoid）是由干細(xì)胞衍生出來的類似器官的組織，被認(rèn)為是構(gòu)建人工器官或開發(fā)新藥的下一代技術(shù)?；谶@一新型類器官模型，鄧宏魁研究組開發(fā)了一組表觀遺傳調(diào)控的化學(xué)小分子，能夠在小鼠體內(nèi)促進(jìn)腸道上皮組織的損傷修復(fù)。這項工作為研究器官再生提供了新的體外模型，同時也揭示了基于化學(xué)小分子的表觀遺傳調(diào)控在器官再生中的重要作用。
類器官能夠在體外模擬體內(nèi)器官的三維結(jié)構(gòu)和功能，已被廣泛應(yīng)用于功能組織誘導(dǎo)、疾病模型建立、藥物篩選等方面的研究，成為過去十年再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最重要的突破之一。但是目前的類器官制備技術(shù)存在明顯缺陷：盡管模擬了體內(nèi)穩(wěn)態(tài)環(huán)境下干細(xì)胞及其分化細(xì)胞的相互作用，但無法呈現(xiàn)器官組織損傷再生狀態(tài)下的變化。在體內(nèi)損傷誘導(dǎo)的再生過程中，會出現(xiàn)損傷態(tài)干細(xì)胞來主導(dǎo)組織損傷修復(fù)的過程。如何在體外建立能夠捕獲損傷態(tài)干細(xì)胞的類器官培養(yǎng)方法，是類器官研究及應(yīng)用面臨的重要挑戰(zhàn)。
為了解決這一問題，鄧宏魁研究組以類器官研究中廣泛使用的小腸類器官為模型，進(jìn)行化學(xué)小分子和細(xì)胞因子篩選，建立了一個新的培養(yǎng)條件（簡稱8C），誘導(dǎo)小腸類器官表達(dá)損傷再生相關(guān)基因，并且生長出更加復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。這些特征與腸道損傷再生過程出現(xiàn)的“增生態(tài)”隱窩非常相似（隱窩位于絨毛基部，是由干細(xì)胞及其后代組成的增殖區(qū)域），為此稱之為“增生態(tài)”小腸類器官，簡稱Hyper類器官。與傳統(tǒng)類器官相比，Hyper類器官的擴(kuò)增能力得到了極大增強(qiáng)：連續(xù)培養(yǎng)5代之后，小腸干細(xì)胞數(shù)量相比傳統(tǒng)類器官提升了約10000倍。此外，Hyper類器官能夠長期傳代擴(kuò)增并保持基因組的穩(wěn)定性。
傳統(tǒng)ENR條件和8C條件誘導(dǎo)的小腸類器官形態(tài)（上圖）及關(guān)鍵損傷再生基因表達(dá)（下圖）
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作者通過單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)對Hyper類器官中的細(xì)胞群體進(jìn)行解析，發(fā)現(xiàn)Hyper類器官中顯著富集了腸道干細(xì)胞群和修復(fù)型干細(xì)胞群，這些干細(xì)胞群體與體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的腸道損傷態(tài)干細(xì)胞具有相似的分子特征。通過譜系追蹤和單細(xì)胞重建類器官實驗，證實了Hyper類器官中的細(xì)胞具有腸道干細(xì)胞的功能。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)8C培養(yǎng)條件中的兩個表觀遺傳調(diào)控小分子VPA和EPZ6438，通過激活YAP通路下游基因，對類器官獲得再生特征發(fā)揮了關(guān)鍵的調(diào)控作用。作者進(jìn)一步研究了表觀遺傳調(diào)控小分子VPA和EPZ6438的聯(lián)合處理對體內(nèi)腸道組織損傷修復(fù)的作用。研究發(fā)現(xiàn)在輻照誘導(dǎo)的小腸損傷小鼠模型中，小分子聯(lián)合處理能夠提升YAP下游靶基因的表達(dá)水平，增強(qiáng)小腸隱窩組織的再生能力。除了小腸體系，該組合也能促進(jìn)結(jié)腸組織的損傷修復(fù)，減輕急性結(jié)腸炎動物模型的病理學(xué)癥狀。
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化學(xué)小分子介導(dǎo)的表觀重編程促進(jìn)小腸類器官的再生修復(fù)
該研究在體外建立了新型類器官模型，解決了類器官技術(shù)在體外無法模擬損傷再生條件下器官和組織變化的難題。該模型能夠捕獲并維持器官再生中的損傷態(tài)干細(xì)胞亞群，同時具備在體外高效擴(kuò)增和長期維持的能力，為利用類器官技術(shù)研究器官再生、建立疾病損傷模型和藥物篩選提供了新的途徑。
鄧宏魁研究組長期致力于化學(xué)小分子調(diào)控細(xì)胞命運的研究和應(yīng)用，近年來取得了一系列突破：誘導(dǎo)體細(xì)胞重編程為多潛能干細(xì)胞；誘導(dǎo)皮膚成纖維細(xì)胞為功能神經(jīng)元細(xì)胞；建立了具備全能性功能特征的多潛能干細(xì)胞；利用化學(xué)小分子實現(xiàn)了體外肝細(xì)胞功能的長期維持。本項研究進(jìn)一步顯示了化學(xué)小分子在調(diào)控器官再生功能方面的關(guān)鍵作用，這一方法可望廣泛應(yīng)用于其他組織類型的類器官培養(yǎng)。
鄧宏魁教授、徐君研究員、及北京大學(xué)李程研究員為該論文的共同通訊作者，屈默龍博士、熊亮博士、博士研究生呂鈺麟為該論文的共同第一作者。本工作獲得了生命科學(xué)聯(lián)合中心、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等基金的資助。
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