文献转载：Science报道—类器官里的几何学：如何实现类器官的统一化？

文献转载：Science报道—类器官里的几何学：如何实现类器官的统一化？

来源：BioArt原创文章丨十一月

类器官已经成为模拟人类器官发生和发展且具有重要临床使用价值的工具之一，其可以作为药物筛选以及临床诊断方面的作用不容小觑。然而，目前是使用干细胞来源靠着类器官自我组装形成的结构很难被准确控制。因此，想要真正在临床方面进行使用尚缺乏标准化的方式。为了解决这一问题，瑞士洛桑EPEL研究所M. P. Lutolf研究组在Science发文题为Tissue geometry drives deterministic organoid patterning，以肠道隐窝类器官为例，对类器官的形状、大小以及细胞组成进行控制，为克服类器官的高度可变性，实现临床和基础医药的转化提供了新的视角。

想要对类器官进行的“统一化”处理，作者们曾经想过的一个方法是使用微流体的方式来控制肠道类器官的宏观形状，并且这也使得肠道类器官可以进行长期生长和汲取营养。这种方法可以用来帮助隐窝-绒毛系统的形成，推动了对于的类器官形成和肠道发育的理解。然而，肠道类器官最终能够形成隐窝-绒毛系统的机制尚不清楚。因此，作者们设计出一种方式可以通过外部控制肠道类器官对称性破坏，探究隐窝-绒毛形成的具体策略，并由此建立一个模型阐明调节肠道形态发生的机制。

传统肠道干细胞使用的培养基是基于原生细胞外基质（Extracellular matrix, ECM），在此基础上想要对肠道类器官的大小和形状进行控制需要进行基质软化。但是整体的基质软化会导致肠道类器官的生长不受控制。因此，作者们想使用一种局部基质软化的方式，实现对肠道隐窝形成的控制。最终作者们尝试出一种方案，将肠道干细胞嵌入到含有精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸以及包含光敏性聚乙二醇形成的水凝胶之中，这一水凝胶的特点是在405nm光照处理下可以实现基质的降解以及软化，从而能够实现对局部基质时空特异性的控制。

通过免疫染色等实验，作者们确认水凝胶嵌入肠道干细胞可以通过上皮对称性破坏和图示形成的方式形成真正的隐窝结构。而在进行光照之后，作者们可以通过光照导致的基质软化来控制类器官中对称性破坏以及隐窝形成的过程。当分化诱导进行两天后，隐窝的形成大大减少。

图1 肠道类器官中控制对称性打破以及上皮形态建成流程

在确认好该系统可以稳健运行之后，作者们建立了对肠道干细胞对称性破坏以及图示形成的大规模工作流程（图1）。作者们发现由此所建立的系统可以真实地反应体内隐窝-绒毛轴的形成，因此可以通过该系统对肠道干细胞形成的类器官进行初始几何形状的控制（图2）。

图2 肠道类器官对称性打破以及图示形成活体成像记录

那么控制肠道类官的对称性破坏的具体分子机制是什么呢？YAP是肠道干细胞命运调控的关键因子，对于细胞的形状和机械力方面调控的重要作用已有一定的研究【3】。因此，作者们猜测YAP可能是问题的关键。通过对其在类器官中分布的检测，作者们发现最初YAP均匀分布，随后在细胞形态出现后开始出现分布特征，会只出现在组织的一侧。另外，肠道中潘氏细胞分化以及隐窝形成起始依赖于YAP活性的分布。而且作者们发现YAP活性的开关依赖于YAP-Notch对称性的破坏（图3）。

图3 肠道类器官对称性打破的分子机制

随后作者们通过设计特定的类似于体内肠道组织结构的方式对肠道类器官中隐窝-绒毛结构生长的特征进行刻画。另外，也对肠道类器官中组织脱落的特征进行了模拟。肠道组织中的细胞脱落对于维持组织稳态非常关键，通过所建立的肠道类器官系统，可以对肠道组织中细胞脱落的过程进行记录和检测，从而确认细胞凋亡的出现是早于细胞脱落过程的。

总的来说，该工作的提出了一种可以指导类器官标准化形成的方式，同时利用该光敏系统对对肠道类器官中隐窝-绒毛轴形成的具体分子机制进行了研究，从而可以确保类器官能够用更为统一方式来回答生物学中难以解答的问题，实现类器官的产业应用（图4）。

同期刊发了观点文章对该工作进行介绍，题为Setting boundaries for tissue patterning，实现了对类器官“设定固定边界”的目标，为控制肠道类器官以及其他类器官的尺寸以及形状提供了重要的见解，同时也为肠道中对称性破坏以及图示形成的研究提供了重要且统一化工具。

图4 工作模型

参考文献

1. Clevers H. Modeling Development and Disease with Organoids. Cell. 2016 Jun 16;165(7):1586-1597. doi: 10.1016/j.cell.2016.05.082. PMID: 27315476.

2. Nikolaev M, Mitrofanova O, Broguiere N, Geraldo S, Dutta D, Tabata Y, Elci B, Brandenberg N, Kolotuev I, Gjorevski N, Clevers H, Lutolf MP. Homeostatic mini-intestines through scaffold-guided organoid morphogenesis. Nature. 2020 Sep;585(7826):574-578. doi: 10.1038/s41586-020-2724-8. Epub 2020 Sep 16. PMID: 32939089.

3. Gregorieff A, Liu Y, Inanlou MR, Khomchuk Y, Wrana JL. Yap-dependent reprogramming of Lgr5(+) stem cells drives intestinal regeneration and cancer. Nature. 2015 Oct 29;526(7575):715-8. doi: 10.1038/nature15382. Epub 2015 Oct 21. PMID: 26503053.

参考链接：

https://doi.org/10.1126/science.aaw9021