類器官是通過“自組織”過程形成的，在這個過程中，最初同質的干細胞群體自發地打破對稱性，進行體內模式形成和形態發生，盡管控制這一過程的過程尚不清楚。雖然現有的類器官超過了現有組織工程技術所獲得的微觀和功能復雜性，但它們在形狀和大小上都是非生理的，功能和壽命有限。
使用先進的生物工程策略來指導基于干細胞的開發，以組裝下一代具有更高重現性和生理相關性的類器官。除了有助于更好地理解多細胞自組織的關鍵原理外，這項研究為藥物發現和再生醫學開辟了令人興奮的前景。
奇物論編輯部從最新的Nature Materials論文了解到，瑞士洛桑理工學院Matthias P. Lutolf教授課題組在類器官領域可謂是獨領風騷，單純從今年的成果來看，該課題組就發表了1篇Nature 和2篇Nature Materials。
圖自EPFL官網
該課題組主要是通過利用生物工程的方式，例如水凝膠支架，來進行干細胞的自組織，從而開發類器官，以進行基礎科學研究和臨床藥物篩選等應用。
首先，咱們先來看看今天發表在Nature Materials上的綜述。
1. Nature Materials：基于干細胞的胚胎模型用于基礎研究和轉化
盡管人類發育的早期階段很重要，但人類樣本的可獲得性限制了對其的理解。干細胞衍生胚胎模型是一個新的領域，旨在利用干細胞構建體外模型，再現哺乳動物概念的發展過程，為促進對人類發展的基本理解和促進生殖和再生醫學的發展提供了令人興奮的機會。
于此，瑞士洛桑理工學院Matthias P. Lutolf、萊斯大學Aryeh Warmflash和密歇根大學Jianping Fu綜述了哺乳動物早期發育的最新知識，以小鼠和人類的概念為模型，強調了它們的相似性和關鍵性差異。
圖|小鼠和人類從著床前到原腸胚形成的發展概況
然后重點介紹現有的胚胎模型，這些模型模擬了老鼠和人類發育的不同方面。并進一步討論用于控制多細胞相互作用和自組織的生物工程工具，這些工具對這些模型的發展至關重要。最后，他們討論了干細胞衍生的胚胎模型的重要后續步驟和令人興奮的未來機會，以進行基礎學科的發現和轉化。
圖|促進胚胎發育中多細胞相互作用和自組織的生物工程工具
Fu, J., Warmflash, A. & Lutolf, M.P. Stem-cell-based embryo models for fundamental research and translation. Nat. Mater. (2020).
https://doi.org/10.1038/s41563-020-00829-9
在上一周，Matthias P. Lutolf等研究人員就在Cell Stem Cell發表了一篇關于類原腸胚中實現心臟的發生。
2. Cell Stem Cell：在類原腸胚中實現心臟的發生
該研究揭示了小鼠胚胎干細胞（mESC）通過多種組織的協調發育來執行器官發生的驚人潛力。這個平臺可能是研究心臟發育的絕佳工具，它具有前所未有的細節和通量。
Giuliana Rossi, et al. Capturing Cardiogenesis in Gastruloids. Cell Stem Cell, 2020.
DOI：10.1016/j.stem.2020.10.013
https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(20)30507-5
同樣，在今年9月份，該課題組一周內就連發了Nature Materials和Nature的研究論文。
（詳情可點擊查看：一周連發Nature和Nature Materials，這個課題組了解一下！）
3. Nature Materials:通過類器官生物打印宏觀組織的自組織
瑞士洛桑聯邦理工學院Matthias P. Lutolf等人介紹了一個三維（3D）生物打印概念，用于指導在更多生理相關的尺度上并直接在高度許可的細胞外基質（ECM）中引導組織形態發生，從而促進有效的多細胞自組織。該方法被稱為生物打印輔助組織出現（BATE），它使用干細胞和類器官作為自發自組織的構建塊，這些構建塊可以在空間上排列以形成相互連接和進化的細胞結構。
Brassard,J.A., et al. Recapitulating macro-scale tissue self-organization throughorganoid bioprinting. Nat. Mater. (2020).
https://doi.org/10.1038/s41563-020-00803-5
4. Nature：支架引導的類器官形態發生，實現迷你小腸的構建
通過利用組織工程和細胞固有的自組織特性，瑞士洛桑聯邦理工學院Matthias P. Lutolf等人誘導腸干細胞形成管狀上皮，該管狀上皮具有進入的內腔、以及與體內類似的隱窩和絨毛狀結構域空間排列。
管狀微型腸道長期穩態培養的構建
Nikolaev, M., et al. Homeostatic mini-intestines through scaffold-guided organoid morphogenesis. Nature (2020).
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2724-8
在7月份，該課題組在Nature Communications上發表了關于肝類器官的研究
5. Nature Communications:機械調節合成水凝膠，用于肝類器官的衍生
最近的研究表明，由于類器官的存在，肝臟的原代細胞可以在體外擴增，這為再生醫學和疾病建模提供了廣闊的前景。但是，基于不確定的和可能具有免疫原性的基質的三維（3D）培養的使用會阻礙肝類器官技術向現實應用的轉化。，瑞士洛桑聯邦理工學院Matthias P. Lutolf等人使用化學定義的水凝膠有效地衍生小鼠和人類肝類器官，為建立基于肝類器官的再生醫學方案開辟了令人振奮的前景。
Sorrentino, G., et al. Mechano-modulatory synthetic niches for liver organoid derivation. Nat Commun 11, 3416 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41467-020-17161-0
在6月份，該課題組研發出一款自動化類器官培養的微陣列，可實現類器官培養的可重復性。
6. Nature Biomedical Engineering: 通過微腔陣列中的干細胞聚集進行高通量自動化類器官培養
瑞士洛桑聯邦理工學院Matthias P. Lutolf等人報告微工程細胞培養設備的制造以及懸浮培養的實時和可擴展的自動化方法，以及對聚合物水凝膠基質內微腔陣列中捕獲的數千種胃腸道類器官的實時分析。使用這些設備來篩選具有患者源性結直腸癌類器官的抗癌候選藥物，并應用基于圖像的高含量表型分析來揭示對藥物作用機制的見解?？蓴U展的類器官培養技術應有助于在藥物開發和診斷中使用類器官。
Brandenberg, N., et al. High-throughput automated organoid culture via stem-cell aggregation in microcavity arrays. Nat Biomed Eng 4, 863–874 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41551-020-0565-2
簡介：
Matthias P. Lutolf，洛桑聯邦理工學院生物工程系教授，其主要研究方向是生物工程，干細胞，生物材料，組織工程，微流控，單細胞分析，高通量篩選。在Nature，Nature Materials, Nature Methods, Cell Stem Cell,PNAS等期刊發表100多篇研究論文。
