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类器官培养


10年来,3D细胞培养和干细胞研究领域的巨大进展,使类器官模型成为新兴的疾病研究和药物研发工具。类器官是一种在体外进行培养的,与对应在体内器官或组织在功能与结构方面类似的3D器官样结构的聚集体。由于类器官在体外具有体内器官的关键结构和功能特征,这一模型较传统2D细胞培养具有显著优势,在器官发育(器官发生)1、疾病建模2和毒性检测3方面极具潜力。类器官还正被用作生理相关模型来开发新的候选治疗药物4和用于癌症表型分析5


来自干细胞、祖细胞、人多能干细胞(hPSC;胚胎干细胞和诱导性多能干细胞)的球状体到组织块再到完整器官外植体的各种原材料都可以生成类器官。对于胚胎和诱导性多能干细胞,自我更新和分化成所有类型细胞的能力促使其自组织成为类器官。器官祖细胞可生成器官中存在的所有不同类型细胞和组织特异性细胞。来自个体患者的肿瘤类器官提高对自身组织的概括性,因此为个体化治疗提供了机会6此外,通过联合CRISPR-Cas9基组编辑和类器官培养,研究者们可以评估在某些癌症中发现的患者特异性突变的DNA修复,并进行遗传学筛查7




1 不同类型类器官养(来自康宁)





类器官培养流程







图2 类器官培养流程及康宁产品应用(来自康宁)



康宁Matrigel基质


多家实验室已成功通过各种原料使用不同的类器官培养方法培养了组织和器官特异性类器官。类器官培养的关键考虑因素包括选择影响细胞生长、增殖、分化和成熟的信号传导分子、生长因子、支架/细胞外基质(ECM)和培养基条件。水凝胶,如康宁Matrigel®基质和康宁®,是类器官培养中支持细胞扩增的常用支架,可与来自正常或病变组织的干细胞和/或器官祖细胞混合,从而创建肾脏、甲状腺、肝脏、脑、肺、肠、前列腺和胰腺的迷你器官。这些水凝胶还可作为生物墨水,以便在3D生物打印期间实现活细胞/类器官的精确定位和嵌入8





宁类器官培养专用Matrigel基质是经过优化、并验证可支持类器官生长和分化的细胞外基质。通过以下验证,康宁类器官培养专用Matrigel基质满足了成功培养类器官的一致性和可靠性需求:


验证可支持类器官培养物的生长和分化,包括:

长期培养小鼠小肠类器官,7代以上仍具有典型的类器官出芽形态和标记物表达9

培养原代人气道上皮细胞并分化成极化的3D上皮10

每个批次均测量弹性模量。弹性模量指征了用于类器官实验所需的基质刚度。

个批次均被验证可形成稳定的“3D圆顶”结构。“3D圆顶”是类器官培养中常用的一种方式。

被证明用健康或患病细胞均可成功培养类器官10


为一种优化的细胞外基质,康宁类器官培养专用Matrigel基质免除了耗时的筛选和验证过程,实现了类器官研究中必不可少的可重复性和一致性。




图3  Matrigel基质中的类器官培养方法(A)on-top培养。在预铺的一层Matrigel上培养细胞。

(B)3D-嵌入培养。细胞与Matrigel凝胶混合,形成支持形成类器官的结构(来自康宁)




器官带来了器官发生、疾病模型以及患者个性化治疗的进展。将来自正常或患病组织的干细胞或器官祖细胞与康宁Matrigel基质混合,可用于产生肾脏、甲状腺、肝脏、脑、肺,肠、前列腺、胰腺、乳房、食道和卵巢的微器官。于康宁Matrigel基质与体内环境极为相似,可提供必要的生长因子、蛋白以及所需的基质结构,已成为类器官应用最广、发表文章最多的水凝胶。






图4  康宁类器官培养专用Matrigel基质中生长的肠道类器管,表现出典型的出芽形态和标志物表达

(波形蛋白、粘蛋白-2、绒毛蛋白、嗜铬粒蛋白和溶菌酶)9






图5  在康宁类器官培养专用Matrigel基质中生长的气道类器官,表达基底细胞(绿色)、

纤毛细胞(红色)和杯状细胞(橙色)的典型分化标志物10




康宁细胞外基质(ECM)蛋白和高级表面


货号

产品描述

规格

数量/盒

应用

356255

康宁类器官培养专用Matrigel基质,不含酚红,不含LDEV

10 mL

1

类器官培养专用

354277

Matrigel®基质,适合hESC,无LDEV

5 mL

1

hPSC维持

354234

通用型Matrigel®基质,无LDEV

10 mL

1

类器官形成

356237

Matrigel®基质,无酚红和LDEV

10 mL

1

类器官形成

354230

Matrigel®基质,生长因子减量型,无LDEV

5 mL

1

类器官形成

356231

Matrigel®基质(GFR),无酚红和LDEV

10 mL

1

类器官形成

354248

Matrigel®基质,高浓度(HC),无 LDEV

10 mL

1

类器官形成

354263

Matrigel®基质,(GFR)(HC),无 LDEV

10 mL

1

类器官形成

354262

Matrigel®基质,(HC),无酚红 LDEV

10 mL

1

类器官形成

354249

I型胶原,高浓度(HC),大鼠尾

100 mg

1

类器官形成

354220

人Laminin-521

20 µg

1

hESC/hiPSC维持

3535

Synthemax®II-SC底物

10 mg

1

hESC/hiPSC维持



康宁生长因子


货号

描述

规格

数量/盒

应用

354060

重组人碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)

10 µg

1

hESC/hiPSC维持 类器官形成

354052

重组人表皮生长因子(EGF)

100 µg

1

类器官形成

354001

小鼠天然表皮生长因子(EGF,培养级)

100 µg

1

类器官形成

354010

小鼠天然表皮生长因子(EGF,受体级)

100 µg

1

类器官形成

354039

人天然转化生长因子(TGF-b)

1 µg

1

hESC/hiPSC维持 类器官形成

354107

重组人血管内皮生长因子(VEGF)

10 µg

1

类器官形成



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类器官模型汇总







相关资料请点击   附PDF资料下载


[ Corning类器官培养专用Matrigel基质 ]


[ 康宁类器官培养产品选择指南 ]




参考文献


1. Lancaster MA and Knoblich JH. Organogenesis in a dish: modeling development and disease using organoid technologies. Science (2014) 345:124-125.

2. Dutta D, et al. Disease Modeling in Stem Cell-Derived 3D Organoid Systems. Trends Mol Med (2017) 23(5):393-410.

3. Truskey GA. Human Microphysiological Systems and Organoids as in Vitro Models for Toxicological Studies. Front Public Health (2018) 6:185.

4. Cláudia C, et al. Towards Multi-Organoid Systems for Drug Screening Applications. Bioengineering (2018) 5(3):49.

5. Sachs N and Clevers H. Organoid cultures for the analysis of cancer phenotypes. Cancer phenotype: Curr Opin Genet Dev (2014) 24:68-73.

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7. Driehuis E and Clevers H. CRISPR/Cas 9 genome editing and its applications in organoids. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol (2017) 312:G257-G265.

8. Hospodiuk M, et al. The bioink: A comprehensive review on bioprintable materials. Biotechnology Advances (2017) 35(2):217-239.

9. Application Note (Corning Lit. Code CLS-AN-542): Culture of mouse intestinal organoids in Corning Matrigel matrix for organoid culture.

10. Application Note (Corning Lit. Code CLS-AN-534): High throughput gene expression analysis of 3D airway organoids.

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12. Dekkers JF, et al. A functional CFTR assay using primary cystic fibrosis intestinal organoids. Nature Medicine (2013) 19:939-945.

13. Sato T, et al. Long-term Expansion of Epithelial Organoids from Human Colon, Adenoma,Adenocarcinoma, and Barrett's Epithelium. Gastroenterology (2011) 141(5):1762-1772.

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17. Lancaster MA, et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature (2013) 501:373-379.

18. Qian X, et al. Brain Region-specific Organoids using Mini-bioreactors for Modeling ZIKV Exposure. Cell (2016) 165(5): 1238-1254.

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