類器官研究最新進展（2022年11月）
類器官屬於三維（3D）細胞培養物，包含其代表器官的一些關鍵特性。此類體外培養系統包括一個自我更新幹細胞群，可分化為多個器官器官特異性的細胞類型，與對應的器官擁有類似的空間組織並能夠重現對應器官的部分功能，從而提供一個高度生理相關係統。類器官技術在疾病研究、藥物篩選、藥物毒性毒理反應、基因和細胞治療等生物醫學轉化研究領域具有巨大應用潛力。
1.Cell：通過肝臟類器官揭示與GCKR-rs1260326突變有關的NAFLD/NASH風險非常高
doi:10.1016/j.cell.2022.09.031
眾所周知，背景會影響許多領域。如今，在一項新的研究中，來自日本東京醫科大學和美國辛辛那提兒童醫院醫療中心的研究人員發現，患者的健康背景（health context）---患者的其他疾病--可以決定特定的基因突變是有益還是有害。他們揭示一種與肝臟疾病有爭議關係的基因突變，根據患者是否患有糖尿病，給患者帶來不同程度的風險。相關研究結果發表在2022年10月27日的Cell期刊上，論文標題為「En masse organoid phenotyping informs metabolic-associated genetic susceptibility to NASH」。
圖片來自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.09.031。
非酒精性脂肪肝（non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD）是最常見的肝臟疾病，並可發展為涉及肝臟中脂肪堆積、損害和炎症的非酒精性脂肪性肝炎（nonalcoholic steatohepatitis, NASH）。已知的遺傳變異僅解釋了患有NAFLD/NASH風險的一小部分，而且科學家們對某些突變的重要性有不同意見。
論文第一作者、辛辛那提兒童醫院醫療中心的Masaki Kimura說，「葡萄糖激酶調節蛋白（GCKR）-rs1260326突變與NAFLD的關係存在廣泛爭議。這種突變似乎可以保護患者免受糖尿病和慢性腎臟疾病的影響，但與NAFLD和其他疾病的風險增加有關。」
2.Nature：將人類皮層類器官移植到大鼠大腦中來研究大腦連接性和功能性
doi:10.1038/s41586-022-05277-w
在一項新的研究中，來自美國斯坦福大學的研究人員開發出一種研究方法，可以更詳細地探究與一些神經疾病和精神疾病相關的大腦過程。這是通過在體外培養人類皮層類器官（cortical organoids）並將它們移植到發育中的嚙齒動物大腦內以觀察它們隨著時間的推移如何整合和發揮功能來實現的。相關研究結果發表在2022年10月13日的Nature期刊上，論文標題為「Maturation and circuit integration of transplanted human cortical organoids」。
美國國立精神衛生研究所（NIMH）的David Panchision博士說，「這項新的研究代表著科學家們在研究複雜的人類大腦疾病的細胞和迴路基礎的能力方面取得了重大進展。它允許類器官在一種更具有生物相關性的環境中建立連接，並以它們在培養皿中無法做到的方式發揮作用。」
人類皮層類器官移植在發育中的大鼠皮層內。圖片來自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05277-w。
在這項新的研究中，這些作者通過將完整的利用人類幹細胞培養出的人類皮層類器官移植到發育中的大鼠大腦內，推進了大腦類器官的研究使用。這項技術構建了一個可以被檢查和操縱的人類組織單元。他們使用Pasca實驗室之前開創的方法：利用人類誘導性多能幹細胞---成體皮膚細胞經過重編程後XX一種未成熟的類似幹細胞的狀態---構建出人類皮層類器官。他們隨後將所構建的人類皮層類器官植入大鼠初級體感皮層，即大腦中參與處理感覺的一部分。
為了了解人類皮層類器官能在多大程度上整合到大鼠的初級體感皮層，這些作者用一種作為功能性連接的一種指示劑可在腦細胞中傳播的示蹤XX毒感染了皮層類器官。在將攜帶示蹤XX毒的人類皮層類器官移植到大鼠的初級體感皮層后，他們在諸如腹基核（ventrobasal nucleus）和體感皮層之類的多個大腦區域檢測到了這種病毒。此外，他們還觀察到丘腦和移植區域之間建立了新連接。這些連接可通過電刺激和刺激大鼠的鬍鬚激活，表明它們正在接受有意義的感覺輸入。此外，他們能夠激活移植的人類皮層類器官中的人類神經元，以調節大鼠的獎勵尋求行為。這些發現表明，移植的人類皮層類器官與大鼠中特定的大腦通路進行了功能整合。
在結構和功能上，經過七到八個月的生長后，移植的人類皮層類器官比在體外細胞培養中維持的人類皮層類器官更類似於人類大腦組織的神經元。移植的人類皮層類器官反映了人類皮層神經元的結構和功能特徵，這一事實使得這些作者想知道他們是否可以使用移植的人類皮層類器官來探究人類疾病過程的各個方面。
doi:10.1038/s41586-022-05279-8
在一項新的研究中，瑞士蘇黎世聯邦理工學院生物系統科學與工程系的Barbara Treutlein教授和她的同事們如今在不同的時間點和非常詳細地研究了人類大腦類器官內的數千個細胞。他們的目標是用分子遺傳學術語來描述這些細胞：換句話說，所有基因轉錄本（轉錄組）的總量作為基因表達的衡量標準，同時基因組可訪問性作為調節活性的衡量標準。他們成功地將這些數據表示為一種圖譜，用於顯示這種大腦類器官內每個細胞的分子指紋。相關研究結果於2022年10月5日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Inferring and perturbing cell fate regulomes in human brain organoids」。
大腦類器官發育的多組學圖譜揭示了發育的層次和命運決定的關鍵階段。圖片來自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05279-8。
這項新研究的目的是系統地確定那些對大腦器官不同區域的神經元發育有重大影響的基因開關。在CRISPR-Cas9系統的幫助下，這些作者有選擇地關閉了每個細胞中的一個基因，在整個大腦類器官中同時關閉了大約二十多個基因。這使他們能夠發現各自的基因在大腦類器官的發育中發揮了什麼作用。
論文共同第一作者、Treutlein團隊博士生Sophie Jansen解釋說，「這項技術可用於篩選參與疾病的基因。此外，我們還可以看看這些基因對大腦類器官內不同細胞的發育所產生的影響。」
4.Cell：利用人類大腦類器官成功再現人類大腦發育中的關鍵事件
doi:10.1016/j.cell.2022.09.010
類器官（organoid）是在培養皿中精心培養的細胞集合，旨在比傳統的細胞培養物更好地模擬器官結構和組成，使得人們對大腦等器官的生長和發育有了獨特的看法。為了使它們在實驗中發揮作用，科學家們需要確定這些模型如何忠實地再現體內細胞的行為。
如今，在一項新的研究中，來自美國布羅德研究所的研究人員發現人類大腦類器官重現了正在發育的負責運動、感知和思考的人類大腦皮層中的許多重要細胞和分子事件。相關研究結果發表在2022年9月29日的Cell期刊上，論文標題為「Proper acquisition of cell class identity in organoids allows definition of fate specification programs of the human cerebral cortex」。
圖片來自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.09.010。
這些作者利用幹細胞培育出了大腦類器官，並在六個月的時間里仔細研究了它們的生長情況，為此他們使用了在單細胞水平上隨著時間的推移繪製細胞位置、基因表達和染色質可及性---決定了基因活性如何受到調節---的工具。他們隨後構建了一個「圖譜」，描述了從大腦類器官中提取的60多萬個在發育和成熟過程中被採樣的細胞。他們發現，第一個月后，在他們製作的每個大腦類器官中，相同類型的細胞以相同的順序發育，並表達了與發育中的人類胚胎相同的基因。
論文通訊作者、布羅德研究所斯坦利精神病研究中心副成員的Paola Arlotta說，「這對我們來說證實這一點是非常重要的。這告訴我們，我們可以用這些人類大腦類器官來研究我們之前無法研究的人腦發育過程。」
這些作者還能夠確定人類特有的基因表達模式和其他關鍵發育因子。他們建議，由於這些大腦類器官是相當準確的早期大腦發育模型，並且可以在實驗室中利用一小部分幹細胞相對大量地培育出，這些模型可能能夠有助於加快對大腦健康和神經發育障礙的研究。
5.Cell Stem Cell：新研究優化人類小腸類器官的產生
doi:10.1016/j.stem.2022.08.002
在一項新的研究中，來自荷蘭皇家藝術與科學學院和瑪西瑪公主兒科腫瘤中心的研究人員改進了人類小腸類器官（small intestinal organoids）---小腸的微型版本---的培育。這將幫助人們更好地研究小腸在健康和疾病期間的功能。具體來說，他們成功地開發出了包含成熟的潘氏細胞（Paneth cell）的小腸類器官，而潘氏細胞在以前的人類小腸類器官中是不存在的。相關研究結果於2022年8月23日在線發表在Cell Stem Cell期刊上，論文標題為「Optimized human intestinal organoid model reveals interleukin-22-dependency of paneth cell formation」。
圖片來自Cell Stem Cell, 2022, doi:10.1016/j.stem.2022.08.002。
為了誘導人類小腸類器官中潘氏細胞的形成，這些作者研究了多種分子的影響。他們發現，白細胞介素-22（IL-22）增加了潘氏細胞的數量和活性。IL-22對潘氏細胞的影響是令人驚訝的。論文共同第一作者、荷蘭皇家藝術與科學學院研究員Gui-Wei He解釋了其中的原因：「目前，人們認為IL-22能促進幹細胞功能。我們的研究實際上表明，IL-22並沒有這樣做，而是刺激了潘氏細胞的激活。」因此，這種新發現的IL-22功能被用來增加人類小腸類器官中活躍的潘氏細胞的數量。這導致了模擬健康小腸的類器官的構建。
6.Science子刊：利用人類腎臟類器官確定化合物SCR7有望阻止腎臟損傷和治療慢性腎臟病
doi:10.1126/scitranslmed.abj4772
在某種程度上，腎臟在受傷後有自我修復的能力，但是這種內在修復會轉變為不完全修復，從而導致不可逆的損傷和慢性腎臟病（CKD）。在一項新的研究中，來自麻省總醫院（MGH）研究人員利用人類幹細胞衍生的腎臟類器官鑒定出對維持腎臟健康修至關重要的基因。這些發現可能會導致人們發現新的靶標，以協助預防或治療CKD。相關研究結果發表在Science Translational Medicine期刊上，論文標題為「Modeling injury and repair in kidney organoids reveals that homologous recombination governs tubular intrinsic repair」。
SCR7化學結構式。
論文共同第一作者、MGH腎臟科研究員Navin Gupta博士和他的同事們將人類腎臟類器官暴露于化療藥物順鉑中時，這種治療改變了正在進行內在修復的腎細胞中的159個基因表達和29條信號通路。他們確定的許多基因，包括兩個名為FANCD2和Rad51的基因，在內在修復過程中被激活，但是當腎臟損傷變得不可逆時，它們的表達就會下降。這些基因編碼的蛋白在細胞中的DNA受損時發揮著修復作用。在小鼠腎臟損傷模型和人類腎臟活組織中進行的其他實驗證實了這些在腎臟類器官中發現的結果。
最後，通過藥物篩選試驗，這些作者確定了一種稱為SCR7的化合物，它有助於維持FANCD2和RAD51的活性，以拯救正常的組織修復，並防止在順鉑誘導的腎臟類器官損傷模型中出現CKD進展。
SCR7 是一種特異性 DNA Ligase IV 抑製劑，可阻斷非同源性末端連接(NHEJ)。在哺乳動物細胞和小鼠胚胎中，SCR7可增加利用CRISPR/Cas9進行HDR（homology directed repair, 同源介導的雙鏈DNA修復）介導的基因編輯效率，最高可增強至19倍。
7.Nat Cancer：利用功能性類器官篩選鑒定出靶向實體瘤中癌幹細胞的抗體MCLA-158
doi:10.1038/s43018-022-00359-0
在一項新的研究中，由西班牙巴塞羅那生物醫學研究院主任Eduard Batlle博士領導的一個國際研究小組揭示了導致MCLA-158發現的臨床前數據及其對癌幹細胞的作用機制。這種被命名為派森妥單抗 （Petosemtamab）的抗體MCLA-158能防止癌症轉移的發生（即癌症擴散到其他重要器官），並減緩癌症實驗模型中原發性腫瘤的生長。相關研究結果發表在2022年4月的Nature Cancer期刊上，論文標題為「Functional patient-derived organoid screenings identify MCLA-158 as a therapeutic EGFR × LGR5 bispecific antibody with efficacy in epithelial tumors」。在這篇論文中，他們描述了他們如何創建他們的納米膠囊，以及當在患有膠質母細胞瘤的小鼠身上進行測試時它的效果如何。
MCLA-158對患者衍生性類器官的影響。圖片來自Nature Cancer, 2022, doi:10.1038/s43018-022-00359-0。
這項研究也為製藥公司在藥物發現過程中使用類器官模型奠定了基礎。類器官是可以在實驗室中生長的患者衍生性樣本，它們再現了腫瘤區室的某些方面。到目前為止，它們的用處正在個性化癌症醫學中得到探索---意思是它們在幫助醫生決定每名患者的最佳治療方面的價值。然而，為了選擇MCLA-158，首次使用了來自癌症患者的類器官生物庫，在數百種新抗體中分辨出哪一種最有效並最適合大多數患者。
2021年10月，荷蘭Merus公司（Merus N. V.）報告了與中期療效分析相對應的初步數據，這些數據是基於它贊助的正在進行的1期劑量擴大臨床試驗的回顧性分析，該臨床試驗旨在評估MCLA-158單葯治療晚期頭頸部鱗狀細胞癌（HNSCC）的安全性、耐受性和抗腫瘤活性。7名HNSCC患者中有3人獲得部分反應，其中1人在2021年8月的數據截止日期后獲得完全反應。所有七名患者都觀察到腫瘤縮小。
8.Nat Commun：新研究表明恢復TCF4基因功能的基因療法有望治療皮特-霍普金斯綜合征
doi:10.1038/s41467-022-29942-w
在一項新的研究中，來自加州大學聖地亞哥分校醫學院的研究人員人類大腦類器官揭示了一個基因發生的與一種嚴重的自閉症形式相關的突變如何破壞神經發育。利用基因治療工具恢復這個基因的功能，有效地拯救了神經結構和功能。相關研究結果於2022年5月2日發表在Nature Communications期刊上，論文通訊作者為「Transcription Factor 4 loss-of-function is associated with deficits in progenitor proliferation and cortical neuron content」。
這個稱為TCF4的基因是大腦發育的一個重要基因。包括自閉症譜系障礙（ASD）和精神分裂症內的一些神經和神經精神疾病都與TCF4基因突變有關。轉錄因子調節其他基因的開啟或關閉，因此它們的存在或缺乏都會對發育中的胚胎產生多米諾效應。然而，當TCF4發生突變時，人們對人腦發生的情況知之甚少。
PTHS類器官顯示異常發育。圖片來自Nature Communications, 2022, doi:10.1038/s41467-022-29942-w。
為了探索這個問題，這些作者著重關注皮特-霍普金斯綜合征（Pitt-Hopkins Syndrome, PTHS）上，這是一種由TCF4突變引起的特殊ASD。患有這種遺傳病的兒童有嚴重的認知和運動障礙，而且通常是不說話的。
現有的皮特-霍普金斯綜合征小鼠模型無法準確模擬患者的神經特徵，因此這些作者轉而構建出這種疾病的人類研究模型。他們利用幹細胞技術，將患者的皮膚細胞轉化為誘導性多能幹細胞（iPSC），然後利用iPSC培育出三維大腦類器官，也稱為「迷你大腦（mini-brain）」。對這些大腦類器官的初步觀察顯示，存在TCF4突變的大腦類器官與對照組之間存在一系列的結構和功能差異。
9.Cell：新研究揭示了為何威廉姆斯-伯倫綜合征患者通常具有優異的聽覺能力
doi:10.1016/j.cell.2022.08.022
威廉姆斯-伯倫綜合征（Williams-Beuren syndrome, WBS）是一種罕見的疾病，會導致神經認知和發育方面的缺陷。然而，音樂和聽覺能力在WBS患者身上得到了保留，甚至增強。在一項新的研究中，來自美國聖猶大兒童研究醫院的研究人員在這種疾病的模型中發現了這種能力的機制。相關研究結果於2022年9月23日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「Innate frequency-discrimination hyperacuity in Williams-Beuren syndrome mice」。
論文通訊作者、聖猶大兒童研究醫院發育神經生物學系的Stanislav Zakharenko博士說，「WBS之所以在神經發育障礙中更為人所關注，是因為患有這種疾病的兒童，儘管有嚴重的學習障礙，但與普通人群中的兒童相比，他們中有更多的人具有優越的音樂和語言能力。我們對此很感興趣，想知道更多關於一種由27個基因缺失引起的疾病如何可能幫助患者獲得比正常人更好的聽覺處理能力。」
為了了解WBS患者聽覺能力增強的細胞生物學基礎，這些作者進行了RNA測序（RNAseq）實驗。這些數據使得他們發現了一種叫做VIPR1的神經肽受體，它在WBS患者的聽覺皮層中的表達減少了。在大腦類器官中也發現了VIPR1的減少，其中大腦類器官是實驗室中使用人類誘導性多能幹細胞構建出的高級模型。
這些作者發現，轉錄因子Gtf2ird1（由WBS患者丟失的27個基因之一編碼）調節著VIPR1。在聽覺皮層中剔除或過度表達VIPR1可以模擬或逆轉WBS中觀察到的聽覺效果。因此，正是Gtf2ird1下調了VIPR1，導致了WBS對聽覺能力的影響。
10.Science：新研究發現現代人類比尼安德特人產生更多的大腦神經元
doi:10.1126/science.abl6422
長期以來，是什麼使現代人變得獨特的問題一直是科學家們的推動力。因此，與我們的近親尼安德特人（Neandertals）的比較提供了迷人的見解。大腦尺寸的增加，以及大腦發育過程中神經元的產生，被認為是人類進化過程中出現的認知能力提高的主要因素。然而，雖然尼安德特人和現代人的大腦大小相似，但對於現代人和尼安德特人的大腦在發育過程中是否可能在神經元的產生方面有所不同，人們所知甚少。
在一項新的研究中，來自德國馬克斯-普朗克分子細胞生物學與遺傳學研究所（MPI-CBG）等研究機構的研究人員如今發現，現代人的TKTL1（transketolase-like 1）蛋白變體與尼安德特人的TKTL1變體僅有一個氨基酸的差異，使得在現代人的大腦中增加了一種稱為基底放XX狀膠質細胞（basal radial glia）的腦祖細胞。基底放XX狀膠質細胞在發育中的新皮層中產生大部分的神經元，而新皮層是大腦的一部分，對許多認知能力至關重要。由於TKTL1在胎兒人腦額葉中的活性特別高，他們得出結論，TKTL1中這種人類特有的單個氨基酸替換導致現代人比尼安德特人在發育中的新皮層額葉中產生更多神經元。相關研究結果發表在2022年9月9日的Science期刊上，論文標題為「Human TKTL1 implies greater neurogenesis in frontal neocortex of modern humans than Neanderthals」。
這些作者專註于其中的一種稱為TKTL1的蛋白：與尼安德特人相比，基本上所有的現代人在這種蛋白上都出現了一個氨基酸變化。具體來說，在現代人中，TKTL1在有關的序列位位點上含有一個精氨酸，而在尼安德特人的TKTL1中，這個位點是一個稱為賴氨酸的氨基酸。在胎兒的人類新皮層中，TKTL1在新皮層祖細胞中發現，所有皮層神經元都是從這些新皮層祖細胞中產生的。值得注意的是，TKTL1的水平在額葉的新皮層祖細胞中是最高的。
此後，這些作者探討了這些影響與人類大腦發育的相關性。為此，他們在人類大腦類器官---可以在實驗室的細胞培養皿中由人類幹細胞培養出來的微型器官樣結構，可模擬人類早期大腦發育的各個方面---中用尼安德特人TKTL1特有的賴氨酸取代了現代人TKTL1中的精氨酸。
Pinson說，「我們發現，在TKTL1中使用尼安德特人特有的賴氨酸時，產生的基底放XX狀膠質細胞比使用現代人特有的精氨酸要少，因此，產生的神經元也更少。這向我們表明，儘管我們不知道尼安德特人的大腦有多少神經元，但我們可以假設現代人在大腦額葉有比尼安德特人更多的神經元，而TKTL1的活性在大腦額葉中是最高的。」
這些作者還發現，現代人類的TKTL1通過改變代謝發揮作用，特別是刺激磷酸戊糖途徑，然後增加脂肪酸的合成。通過這種方式，現代人類的TKTL1被認為增加了某些膜脂質的合成，這些膜脂質是產生基底放XX狀膠質細胞的長突起所必需的，所產生的長長突起刺激基底放XX狀膠質細胞的增殖，因此，增加了神經元的產生。