頂刊Nature：生物3D打印構(gòu)建新一代含基質(zhì)類器官，揭示微環(huán)境信號影響腫瘤表型新機制

來源： 上普生物

類器官往往由受組織限制的成體干細胞、誘導(dǎo)多功能干細胞或腫瘤細胞。因為它們可以模仿人體器官的結(jié)構(gòu)和功能，因此被認為是創(chuàng)造人造器官或開發(fā)新藥物的下一代技術(shù)。近日，韓國浦項科技大學(xué)Kunyoo Shin教授團隊的研究成果Creation of bladder assembloids mimicking tissue regeneration and cancer發(fā)表在全球頂級期刊Nature主刊上，研究基于生物3D打印技術(shù)引入了一種被稱為組裝體的迷你器官的新概念，該概念超越傳統(tǒng)類器官，在結(jié)構(gòu)和功能上全面仿生人類組織。杰出的成果使其成為2020年生物3D打印相關(guān)研究唯一登上三大主刊的研究。

類器官
類器官可以來自受組織限制的成體干細胞、多能干細胞或腫瘤細胞。這三個類型的類器官被廣泛用于模擬器官和組織的關(guān)鍵特征，以更好地了解包括癌癥等人類疾病的各個方面。然而，當(dāng)前類器官與體內(nèi)疾病的相關(guān)性仍然受到質(zhì)疑，因為這種模型系統(tǒng)沒有考慮到大量因素，包括原生組織結(jié)構(gòu),微環(huán)境和基質(zhì)（Stroma）等，當(dāng)它們從組織的原生環(huán)境中移除時，大多數(shù)細胞的特征都會發(fā)生變化。所以，含Stroma，免疫細胞及多細胞結(jié)構(gòu)仿生的類器官構(gòu)建一直是領(lǐng)域難題。

膀胱組裝體的構(gòu)建
只有長期培養(yǎng)的類尿皮器官才呈現(xiàn)成熟的尿皮，它們包含完全分化的透明傘細胞（角蛋白18（KRT18）、尿素3（UPK3）和角蛋白20（KRT20）陽性）、中間細胞（角蛋白5（KRT5）為陽性，p63陽性）和基底細胞（KRT5和角蛋白14陽性（KRT14）陽性），而短期類有機體類似于胚胎膀胱。同時，長期培養(yǎng)的膀胱器官缺乏正常膀胱的關(guān)鍵組成部分，如組織基質(zhì)和肌肉層。

于是，研究團隊使用生物3D打印技術(shù)，將基質(zhì)成纖維細胞、內(nèi)皮細胞以及肌肉層構(gòu)建膀胱組裝體。包含多層褶皺的尿皮，以及包含黃青素基質(zhì)成纖維細胞和CD31+內(nèi)皮細胞的厚結(jié)節(jié)基質(zhì)，周圍是外層肌肉層，由α平滑肌動蛋白（α-SMA）陽性平滑肌細胞（SMC）和CD31+內(nèi)皮細胞組成。同時，團隊還創(chuàng)建了人體膀胱組裝體，內(nèi)上皮和結(jié)締基質(zhì)被外肌層包圍。通過藥理學(xué)檢測，組裝體的刺猬通路活性與體內(nèi)成體膀胱活性相近，也表明上皮細胞與基質(zhì)之間功能的相互作用在人體膀胱組裝體中得以重現(xiàn)。

膀胱組裝體的模仿體內(nèi)組織
膀胱組裝體和野生型膀胱的單細胞RNA測序（scRNA-seq）確定了七種不同的細胞類型：上皮細胞、基質(zhì)成纖維細胞、SMCs、內(nèi)皮細胞、雪旺細胞、巨噬細胞和間皮細胞。

多細胞比例和組成相似：7天膀胱組裝體中不同細胞類型的比例與正常膀胱相似度可以達到90%，其中與野生型尿皮細胞和基質(zhì)細胞相似度可達99%和86%。并且，研究者發(fā)現(xiàn)，盡管在最初的構(gòu)建中使用了不同異源的細胞類型，但膀胱組裝體經(jīng)歷了成熟過程，通過各種重組的細胞類型之間的相互作用來重現(xiàn)成年膀胱。

仿生結(jié)構(gòu)相識：研究進一步分析證明膀胱組裝體通過在傘狀細胞頂端表面形成緊密的連接和尿皮斑塊來保持尿皮完整性，且保持了尿皮屏障功能。通過彩虹小鼠進行尿皮再生過程的組織動力學(xué)研究表明，少數(shù)基底上皮細胞具有在細菌損傷后通過低克隆擴張跨越泌尿生殖膀胱上皮的顯著能力。圖片

膀胱腫瘤組裝體
研究者從8例侵襲性尿皮癌患者中建立了患者特異性腫瘤組裝體，通過觀察發(fā)現(xiàn)腫瘤組裝體中腫瘤生長的形態(tài)模式發(fā)生變化，這些形態(tài)模式與異種移植和親體腫瘤組織表型相似。重建的內(nèi)皮細胞經(jīng)常發(fā)展成相互連接的血管網(wǎng)絡(luò)，并促進腫瘤組合體的腫瘤生長。我們還發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)腫瘤器官和腫瘤組合體中都保持了親本腫瘤的遺傳變化。

先前的研究表明，大多數(shù)源自腔尿路上皮癌的腫瘤類器官在體外維持過程中均成為基底亞型。當(dāng)類器官異種移植到小鼠中時，這些從腔到基的表型轉(zhuǎn)變通�；謴�(fù)為原始表型。因此，可能需要腫瘤基質(zhì)來維持常規(guī)腫瘤類器官的亞型。研究者利用含CAF的膀胱腫瘤組裝體，成功在體外長期培養(yǎng)中抑制了從腔到基的表型變化，證明了含基質(zhì)的腫瘤組裝體，相比傳統(tǒng)類器官的優(yōu)勢。

研究發(fā)現(xiàn)，相比膀胱類器官，三維膀胱腫瘤組裝體對所有三種化療藥物的治療反應(yīng)都有所下降。這表明由于周圍的基質(zhì)，許多固體腫瘤比正常組織更廣泛、密度更大，化療劑到癌癥組織部位的輸送不順暢。這也是傳統(tǒng)類器官在預(yù)測某些藥物同樣模型失效的原因。

同時，研究者通過高通量生物3D打印構(gòu)建的腫瘤組裝體與常規(guī)手工構(gòu)建的類器官的藥物反應(yīng)一致，但效率是手工類器官構(gòu)建的數(shù)倍。研究者更進一步證明，重建的體外腫瘤組裝體是模擬腫瘤生物學(xué)各個方面的強大平臺，包括肌肉入侵和免疫細胞滲透等方面。

腫瘤可塑性
研究者先前結(jié)果已發(fā)現(xiàn)腫瘤基質(zhì)對維持腫瘤表型的重要作用，但傳統(tǒng)類器官（無基質(zhì)）和新型組裝體（有基質(zhì)）都遺傳了親代腫瘤的基因變化，故可能可以根據(jù)腫瘤基質(zhì)的表觀遺傳學(xué)變化確定腫瘤表型。進而，研究者揭示了一種新的機制：來自腫瘤微環(huán)境的信號決定了腫瘤細胞的可塑性（由腫瘤細胞中的刺猬蛋白表達引起的基質(zhì)BMPs誘導(dǎo)腫瘤FOXA1表達，以驅(qū)動增強子重編程并決定腫瘤表型）。這些發(fā)現(xiàn)表明，腫瘤與基質(zhì)細胞之間的信號反饋在控制腫瘤可塑性中起關(guān)鍵作用。這一發(fā)現(xiàn)將為細胞分化療法的發(fā)展帶來新的范例，以治療各種侵襲性實體癌。

總結(jié)
總之，團隊利用生物3D打印技術(shù)重構(gòu)膀胱組裝體，并開發(fā)患者特異性的膀胱腫瘤組裝體，完美地模仿了體內(nèi)腫瘤的病理特征。團隊揭示了來自腫瘤微環(huán)境的信號決定腫瘤細胞可塑性的新機制。這些發(fā)現(xiàn)表明，腫瘤和基質(zhì)細胞之間的信號反饋在控制腫瘤可塑性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

研究者預(yù)言未來通過3D打印技術(shù)構(gòu)建高效類器官制造平臺將將應(yīng)用在高通量藥篩，精準醫(yī)學(xué)和腫瘤個性化治療中。
參考文獻
Kim, E., Choi, S., Kang, B., Kong, J., Kim, Y., Yoon, W.H., Lee, H.R., Kim, S., Kim, H.M., Lee, H. and Yang, C., 2020. Creation of bladder assembloids mimicking tissue regeneration and cancer. Nature, pp.1-6.