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(hào)影響腫瘤表型新機(jī)制

來(lái)源： 上普生物

類器官往往由受組織限制的成體干細(xì)胞、誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞。因?yàn)樗鼈兛梢阅７氯梭w器官的結(jié)構(gòu)和功能，因此被認(rèn)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(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)Kunyoo Shin教授團(tuán)隊(duì)的研究成果Creation of bladder assembloids mimicking tissue regeneration and cancer發(fā)表在全球頂級(jí)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(lái)自受組織限制的成體干細(xì)胞、多能干細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞。這三個(gè)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(gè)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?yàn)檫@種模型系統(tǒng)沒(méi)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(shí)，大多數(shù)細(xì)胞的特征都會(huì)發(fā)生變化。所以，含Stroma，免疫細(xì)胞及多細(xì)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(zhǎng)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(xì)胞（角蛋白18（KRT18）、尿素3（UPK3）和角蛋白20（KRT20）陽(yáng)性）、中間細(xì)胞（角蛋白5（KRT5）為陽(yáng)性，p63陽(yáng)性）和基底細(xì)胞（KRT5和角蛋白14陽(yáng)性（KRT14）陽(yáng)性），而短期類有機(jī)體類似于胚胎膀胱。同時(shí)，長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)使用生物3D打印技術(shù)，將基質(zhì)成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)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(xì)胞和CD31+內(nèi)皮細(xì)胞的厚結(jié)節(jié)基質(zhì)，周圍是外層肌肉層，由α平滑肌動(dòng)蛋白（α-SMA）陽(yáng)性平滑肌細(xì)胞（SMC）和CD31+內(nèi)皮細(xì)胞組成。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)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(guò)藥理學(xué)檢測(cè)，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(xì)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(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq）確定了七種不同的細(xì)胞類型：上皮細(xì)胞、基質(zhì)成纖維細(xì)胞、SMCs、內(nèi)皮細(xì)胞、雪旺細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和間皮細(xì)胞。

多細(xì)胞比例和組成相似：7天膀胱組裝體中不同細(xì)胞類型的比例與正常膀胱相似度可以達(dá)到90%，其中與野生型尿皮細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞相似度可達(dá)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(xì)胞類型，但膀胱組裝體經(jīng)歷了成熟過(guò)程，通過(guò)各種重組的細(xì)胞類型之間的相互作用來(lái)重現(xiàn)成年膀胱。

仿生結(jié)構(gòu)相識(shí)：研究進(jìn)一步分析證明膀胱組裝體通過(guò)在傘狀細(xì)胞頂端表面形成緊密的連接和尿皮斑塊來(lái)保持尿皮完整性，且保持了尿皮屏障功能。通過(guò)彩虹小鼠進(jìn)行尿皮再生過(guò)程的組織動(dòng)力學(xué)研究表明，少數(shù)基底上皮細(xì)胞具有在細(xì)菌損傷后通過(guò)低克隆擴(kuò)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(guò)觀察發(fā)現(xiàn)腫瘤組裝體中腫瘤生長(zhǎng)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(xì)胞經(jīng)常發(fā)展成相互連接的血管網(wǎng)絡(luò)，并促進(jìn)腫瘤組合體的腫瘤生長(zhǎng)。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(guò)程中均成為基底亞型。當(dāng)類器官異種移植到小鼠中時(shí)，這些從腔到基的表型轉(zhuǎn)變通常恢復(fù)為原始表型。因此，可能需要腫瘤基質(zhì)來(lái)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(zhǎng)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(shì)。

研究發(fā)現(xiàn)，相比膀胱類器官，三維膀胱腫瘤組裝體對(duì)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(cè)某些藥物同樣模型失效的原因。

同時(shí)，研究者通過(guò)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(jìn)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(gè)方面的強(qiáng)大平臺(tái)，包括肌肉入侵和免疫細(xì)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(duì)維持腫瘤表型的重要作用，但傳統(tǒng)類器官（無(wú)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(jìn)而，研究者揭示了一種新的機(jī)制：來(lái)自腫瘤微環(huán)境的信號(hào)決定了腫瘤細(xì)胞的可塑性（由腫瘤細(xì)胞中的刺猬蛋白表達(dá)引起的基質(zhì)BMPs誘導(dǎo)腫瘤FOXA1表達(dá)，以驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)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(xì)胞之間的信號(hào)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(xì)胞分化療法的發(fā)展帶來(lái)新的范例，以治療各種侵襲性實(shí)體癌。

總結(jié)
總之，團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)揭示了來(lái)自腫瘤微環(huán)境的信號(hào)決定腫瘤細(xì)胞可塑性的新機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)表明，腫瘤和基質(zhì)細(xì)胞之間的信號(hào)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(lái)通過(guò)3D打印技術(shù)構(gòu)建高效類器官制造平臺(tái)將將應(yīng)用在高通量藥篩，精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和腫瘤個(gè)性化治療中。
參考文獻(xiàn)
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.