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一、類(lèi)器官簡(jiǎn)介

類(lèi)器官是一類(lèi)基于干細胞在體外進(jìn)行3D培養而形成的具有一定組織結構和功能的微型組織或器官類(lèi)似物。類(lèi)器官擁有與來(lái)源組織器官高度相似的組織學(xué)特征，并能一定程度上擁有該組織器官相似的生理功能。

隨著(zhù) 3D 細胞培養技術(shù)的興起，以3D細胞培養技術(shù)為基礎的類(lèi)器官培養技術(shù)開(kāi)始成為研究熱點(diǎn)。根據新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2021-2025年全球類(lèi)器官行業(yè)深度市場(chǎng)調研及重點(diǎn)區域研究報告》顯示，2020年，全球類(lèi)器官市場(chǎng)規模在5億美元左右，隨著(zhù)醫療技術(shù)進(jìn)步，類(lèi)器官市場(chǎng)規模將進(jìn)一步擴張，預計2021-2026年，全球類(lèi)器官市場(chǎng)規模將保持以18.2%的年均復合增長(cháng)率增長(cháng)。在國家多項政策的支持下，類(lèi)器官的發(fā)展也進(jìn)入了“快速通道”。

表1類(lèi)器官相關(guān)的支持性政策

表2 國內施行的類(lèi)器官相關(guān)團體標準

DROST團隊^[1]曾將2D細胞和類(lèi)器官模型進(jìn)行了對比，發(fā)現類(lèi)器官不僅能高度模擬體內細胞生長(cháng)環(huán)境，保持細胞生長(cháng)的空間結構，而且能更好地代表來(lái)源組織器官的生理功能和生物學(xué)特性。目前，類(lèi)器官已成功應用于病原微生物致病模型構建^[2]、腫瘤研究^[3]、臨床藥物篩選^[4]、藥物研發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域^[5]，此外，新興的單細胞測序技術(shù)^[6]、CRISPR-Cas9 基因編輯技術(shù)更是為類(lèi)器官研究提供了進(jìn)一步發(fā)展的空間^[4]。

但類(lèi)器官培養并不如普通 2D 細胞培養簡(jiǎn)便，其構建成功率不僅與組織來(lái)源種類(lèi)、來(lái)源組織質(zhì)量、細胞生長(cháng)階段等多種因素有關(guān)，還會(huì )遇到培養基成分復雜培養條件較難優(yōu)化的挑戰。隨著(zhù)近年來(lái)各領(lǐng)域對類(lèi)器官培養的重視，多種組織器官來(lái)源的類(lèi)器官模型均有報道，但仍有某些類(lèi)器官建模成功率低、培養條件不夠穩定等問(wèn)題存在，特別是在低分化腫瘤組織來(lái)源的類(lèi)器官培養中，其成功率明顯低于高分化腫瘤來(lái)源組織或正常組織，因此對已有類(lèi)器官培養基相關(guān)成分進(jìn)行了解和剖析就顯得尤為重要，本文將重點(diǎn)對在類(lèi)器官培養基中起到部分關(guān)鍵調控，如同培養類(lèi)器官的“沃土”中的“肥料”——細胞因子進(jìn)行介紹。

二、類(lèi)器官培養的“肥料”——細胞因子

成功建立類(lèi)器官的關(guān)鍵，除了所需的生物材料基質(zhì)外，生長(cháng)因子作為細胞培養、增殖及分化所必需的物質(zhì)也必當優(yōu)先考慮，從而保證類(lèi)器官中的干細胞長(cháng)期生存的能力。通過(guò)優(yōu)化培養物生長(cháng)條件模擬生理組織自我更新或損傷修復過(guò)程中的干細胞巢環(huán)境，如提供基底膜基質(zhì)(即Matrigengel)并添加一系列激動(dòng)劑(如Wnt和酪氨酸激酶受體)和抑制劑(如骨形態(tài)發(fā)生蛋白/轉化生長(cháng)因子-β)可達到上述目的。不同的生長(cháng)因子組合也能誘導多能干細胞向不同的類(lèi)器官細胞分化進(jìn)而獲得我們需要的類(lèi)器官類(lèi)型(圖1)，同時(shí)不同的細胞因子也是培養不同種類(lèi)的類(lèi)器官的關(guān)鍵物質(zhì)(圖2)。

圖1：生物化學(xué)型號誘導類(lèi)器官形成^[7]

圖2不同來(lái)源和類(lèi)型的類(lèi)器官對生長(cháng)因子偏好性^[8]。

生長(cháng)因子的添加配方仍在不斷改進(jìn)，以進(jìn)一步提高類(lèi)器官體外存活率。下面將對部分生長(cháng)因子進(jìn)行逐一介紹。

1. 表皮生長(cháng)因子（epidermalgrowth factor，EGF）：

表皮細胞生長(cháng)因子是人體內一種重要的細胞因子，其功能主要是促進(jìn)皮膚細胞的分裂，同時(shí)表皮細胞生長(cháng)因子也可以促進(jìn)細胞的增殖。在輸卵管的類(lèi)器官培養中，表皮細胞生長(cháng)因子可以促進(jìn)細胞增殖和分化^[9]。此外，在小腸類(lèi)器官培養中，表皮細胞生長(cháng)因子可以促進(jìn)腸道的生長(cháng)，表皮細胞生長(cháng)因子信號通路在腸類(lèi)器官生長(cháng)中發(fā)揮重要作用^[10]。此外，表皮細胞生長(cháng)因子對膠質(zhì)瘤干細胞具有促進(jìn)增殖的作用^[11]。

2. 成纖維細胞生長(cháng)因子（fibroblast growth factor，FGF）：

成纖維細胞生長(cháng)因子廣泛分布于體內多種組織器官，是一種對細胞生長(cháng)、增殖以及分化具有調控作用的生長(cháng)因子，其家族目前發(fā)現23個(gè)成員。成纖維細胞生長(cháng)因子通過(guò)對多種信號通路發(fā)揮作用從而調控體內細胞的生長(cháng)。有研究表明，成纖維細胞生長(cháng)因子通過(guò)抑制骨形態(tài)發(fā)生蛋白信號以及提高 Wnt 信號傳導從而在類(lèi)器官培養中發(fā)揮作用^[12]。而且，Sox10 可以標記乳腺類(lèi)器官培養的干細胞群，成纖維細胞生長(cháng)因子信號可以調節不同 Sox 家族轉錄因子在體內的表達以及功能^[13]。在類(lèi)器官培養中最常見(jiàn)的家族成員為成纖維細胞生長(cháng)因子2(bFGF)、成纖維細胞生長(cháng)因子7(KGF)以及成纖維細胞生長(cháng)因子10。成纖維細胞生長(cháng)因子2 可以促進(jìn)類(lèi)器官的形態(tài)發(fā)生，維持胚胎干細胞的干性，也可以與胰島素樣生長(cháng)因子 1 結合增強人腸干細胞的集落形成能力，促進(jìn)神經(jīng)干細胞的增殖、分化^[14]。由此看出，成纖維細胞生長(cháng)因子家族對于機體內多種細胞生長(cháng)、增殖、分化具有重要的調控作用，因此也成為體外類(lèi)器官培養中較常見(jiàn)的細胞因子之一。

3. 血管內皮生長(cháng)因子( vascular endothelial growth factor，VEGF)：

血管內皮生長(cháng)因子是一個(gè)家族，包括血管內皮生長(cháng)因子 A、血管內皮生長(cháng)因子 B、血管內皮生長(cháng)因子 C 等多個(gè)家族成員，其主要作用為促進(jìn)血管內皮細胞的生長(cháng)。通常所提到的血管內皮生長(cháng)因子指的是血管內皮生長(cháng)因子 A，也是在類(lèi)器官培養中比較常用的血管內皮生長(cháng)因子，其在血管生成和內皮細胞生長(cháng)中發(fā)揮作用。但在類(lèi)器官培養中，其功能不再僅僅局限于血管生成等作用。研究發(fā)現，血管內皮生長(cháng)因子 A 在腎臟類(lèi)器官培養中可以促進(jìn)小鼠后腎間充質(zhì)細胞的增殖，而對于細胞的遷移沒(méi)有影響^[15]。在心臟類(lèi)器官研究中，血管內皮生長(cháng)因子信號通路通過(guò)促進(jìn)Cx43 表達，以此增強心臟功能^[16]。在腦類(lèi)器官研究中發(fā)現，血管內皮生長(cháng)因子 A 可以促進(jìn)血管生成、神經(jīng)分化^[17]。由此看來(lái)，血管內皮生長(cháng)因子促進(jìn)類(lèi)器官擴增、維持內環(huán)境平衡發(fā)揮重要作用。

三、植物源細胞因子

類(lèi)器官行業(yè)在國內的發(fā)展勢頭強勁，但是仍有一些問(wèn)題和阻礙亟待解決，首當其沖的就是上游耗材受到限制。細胞因子作為類(lèi)器官培養的重要調控者，是類(lèi)器官培養基，類(lèi)器官3D打印墨水等新型產(chǎn)品的重要組成部分。因此類(lèi)器官的培養研究，到后期的批量化擴大化的量產(chǎn)對相關(guān)耗材的產(chǎn)量與批間穩定性都提出了很高的要求。目前，類(lèi)器官產(chǎn)品的耗材(如基質(zhì)膠、維持類(lèi)器官生態(tài)和分化所需的生長(cháng)因子、細胞培養板等)大都處于進(jìn)口壟斷的狀態(tài)。企業(yè)若能實(shí)現耗材的進(jìn)口替代，成本有望大幅下降。而禾元生物正是將打破上游供應的國外壟斷為己任，通過(guò)利用全球首創(chuàng )的水稻胚乳細胞生物反應器高效重組蛋白表達平臺，實(shí)現規?；?、批間穩定性好的產(chǎn)品為類(lèi)器官研究提供全方位的蛋白原料解決方案，助力中國類(lèi)器官產(chǎn)業(yè)發(fā)展走到世界最前列!

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