零培训、低门槛、大规模生产类器官

“使用这种方法将使许多研究实验室在他们的实验中使用类器官成为可能，而无需学习如何培养诱导多能干细胞(iPSCs)，”通讯作者Chris Mayhew博士说，他是辛辛那提儿童多能干细胞设施的主任。

　　

   

   

人类肠道类器官在实验室培养皿的孔中生长，这是辛辛那提儿童医院一项研究的一部分，该研究展示了一种新的大规模生产肠道类器官的方法。    

近年来，随着在实验室培养皿中培育微型人体器官的想法从未来的科幻小说发展到现实的生物科学现实，类器官作为研究消化系统的研究工具的用途很快遇到了瓶颈——这些有价值的组织很难制造。即使训练有素的团队使用所有最好的原料和设备，一批起始材料也可以产生许多微小的球状器官前体细胞，然后这些细胞可以生长成特定的类器官类型。但下一批可能只会产生几个球体，甚至根本不会产生。因此，实验室团队在进行临床前实验(旨在测试潜在药物的安全性或效力)或基础研究(深入研究导致疾病的基因和分子活动)时所需的类器官的制造往往会延迟。

现在，在2022年6月28日发表的一篇论文，辛辛那提的一个专家团队报告说，他们正在开发一种方法来克服这种生产瓶颈。这种新方法已经被用于推进医学中心内的类器官研究。由于所涉及的材料可以冷冻和解冻，仍然可以生产出高质量的类器官，这一发现使得将起始材料运送到世界上任何地方的其他实验室成为可能——这可能会大大加快人类胃肠道类器官在医学研究中的使用。

“这种方法可以使类器官成为更容易获得的工具，”第一作者、辛辛那提儿童多功能干细胞设施经理艾米·皮斯蒂克(Amy Pitstick)说。“我们证明，聚合方法持续产生高产量，我们已经证明，前体细胞可以解冻，产生小肠类器官。”

多能干细胞设施主任、通讯作者Chris Mayhew博士说:“使用这种方法将使许多研究实验室在他们的实验中使用类器官成为可能，而无需学习如何培养诱导多能干细胞(iPSCs)。冻结前体细胞的能力也将允许实验室轻松地制造类器官，而不必开始每一个复杂和高度可变的iPSC分化的新实验。”

关于新工艺  

通常情况下，类器官的产生需要收集皮肤或血液细胞，这些细胞在实验室中转化为诱导多能干细胞。为了利用这些来制造肠道类器官，训练有素的实验室工作人员培育了一层扁平的器官前体细胞，称为中后肠内胚层。在适当的条件下，被称为球状体的早期类器官会自发形成3D细胞球。这些细胞被收集并转移到一种生长介质中，这种生长介质为细胞形成人体器官的特定细胞类型提供必要的信号——在这里是小肠。

但通过这种方式产生的球体数量却不一致。辛辛那提儿童研究小组确定，收集未使用的前体细胞层并使用离心机将细胞送入小塑料板上的数百个小孔是可能的。这提示形成3D细胞聚集体，可以收集和用于类器官的生产。论文中详细的测试表明，用这种方法制成的球体与自发生长的球体没有明显的区别。接下来，研究小组将前体细胞的样本放入冰箱储存。一旦这些细胞被解冻并聚集，它们也会形成可存活的球状体。这篇论文证实，这些球体可以可靠地生长成更成熟的类器官，模仿小肠、大肠(结肠)和胃底部连接肠道(胃窦)的功能。

大量生产类器官的许多潜在用途  

即使有了这一进展，要开发出足够大、足够复杂的类器官，以便在移植手术中用作替代组织，还需要多年的工作。但有了许多易于生产的类器官，为医学研究打开了许多大门。

• 更多的实验室将能够制造针对患者的类器官来测试药物组合，以精确治疗需要定制化护理的复杂情况或罕见疾病状态。

• 科学家们正在进行基础研究，以更多地了解影响消化道疾病的遗传因素和分子机制，他们将能够通过订购冷冻的球形前体来进行实验，从而使用类器官。

• 实验室测试培养更大的类器官用于潜在移植的方法将为他们的研究获得更便宜、更可靠的大量人类类器官供应。

• 新一代生物医学研究学生将更容易获得人类类器官的研究，而不需要学习如何培养诱导多能干细胞。

辛辛那提儿童医院干细胞与类器官医学中心(CuSTOM)临床翻译主任、医学博士迈克尔·赫尔姆拉斯(Michael Helmrath)已经开始在他正在进行的研究中使用这种新工艺制成的材料来开发可移植的肠道组织。“这是该领域在许多方面向前迈出的一大步，”Helmrath说。“能够降低工艺的复杂性并提供更高的产量对我们的工作是有益的。而能够将这些方法应用到其他实验室将有助于推动再生医学的发展。”

Jim Wells博士曾领导团队首次成功制造了人类肠道类器官。Wells说:“Amy和Chris领导的工作代表了我们为药物发现开发高通量平台的努力的一个重要进展。”

Aggregation of cryopreserved mid-hindgut endoderm for more reliable and reproducible hPSC-derived  small intestinal organoid generation