學(xué)習(xí)|類器官紙上談兵系列：3D 類器官與基質(zhì)膠

類器官在培養(yǎng)過程中大多數(shù)需要基質(zhì)膠支撐以形成3D結(jié)構(gòu)，最常用的基質(zhì)膠莫過于matrigel了。

Matrigel是EHS小鼠肉瘤提取物，廣泛的用于類器官的培養(yǎng)，甚至豬馬牛羊兔等動(dòng)物的類器官也是采用matrigel，這說明了什么呢？說明多細(xì)胞生物細(xì)胞之間的結(jié)合方式，在進(jìn)化上是非常保守的，可以跨越物種的限制。但是基質(zhì)膠并非只有matrigel一種選擇，除了matrigel常見的BME 基底膜提取物，還有l(wèi)ammin，I 、II IV膠原等，也廣泛的應(yīng)用于類器官的培養(yǎng)。

類器官除了應(yīng)用于研究發(fā)育，腫瘤藥篩等熱門領(lǐng)域之外，組織再生和修復(fù)等再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用才是類器官研究的初心。mouse來源的matrigel，就成為構(gòu)建無動(dòng)物源成分培養(yǎng)體系的絆腳石。其成分的不明確和腫瘤來源，也很難應(yīng)用于臨床。

因此很多研究者開啟腦洞，研究和嘗試了多種多樣的基質(zhì)膠，可以分為以下三類

一 組織去細(xì)胞化的基質(zhì)膠

(Giobbe?et al., 2019)等用豬小腸脫細(xì)胞制備水凝膠基質(zhì)，與matrigel相比，可以更好的支持內(nèi)胚層類器官的生長(zhǎng)與擴(kuò)增，例如胃，腸道，肝臟，胰腺等類器官。

豬小腸來源的水凝膠用來培養(yǎng)腸道類器官，想想都非常有道理。雖然也是動(dòng)物來源，但是豬小腸材料容易獲得，產(chǎn)量高，而且不是腫瘤來源，自然有很大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)還能做到GMP的生產(chǎn)規(guī)范。

用豬小腸制備ECM基質(zhì)的基本流程

豬小腸ECM基質(zhì)與matrigel、BME基質(zhì)的在類器官培養(yǎng)中的對(duì)比

(Meran?et al., 2020)等則更進(jìn)一步，直接用手術(shù)切除的人類小腸，制備了脫細(xì)胞的基質(zhì)膠，用于大規(guī)模擴(kuò)增人類小腸類器官，經(jīng)過8周時(shí)間可以獲得一千萬細(xì)胞，并對(duì)小腸類器官移植進(jìn)行了概念性的驗(yàn)證。

(Simsa?et al., 2021)等用豬腦子脫細(xì)胞制備的基質(zhì)膠制備腦類器官，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)不約而同的選中了豬的組織來制備基質(zhì)膠，未來二師兄在類器官中的作用不可限量。

理論上豬腦制備的基質(zhì)膠含有神經(jīng)系統(tǒng)的各種蛋白和信號(hào)，比matrigel更加適合腦類器官的生長(zhǎng)。作者的結(jié)果表明，兩種基質(zhì)膠產(chǎn)生的腦類器官基因表達(dá)譜和分化結(jié)果非常的相似。

說明了什么？基質(zhì)膠在PSC分化產(chǎn)生腦類器官的過程中，作用不是那么的重要和關(guān)鍵。這也是一件好事，不管是科研和臨床應(yīng)用，研究者會(huì)擁有更多的選擇。同時(shí)豬腦子來源的基質(zhì)膠的產(chǎn)量和成本遠(yuǎn)比matrigel低多了。

與其他組織相比，天然大腦的ECM基質(zhì)膠組成成分有較大差異。例如含有更少的纖維結(jié)構(gòu)蛋白，例如膠原和彈性蛋白，有更多的蛋白多糖。蛋白多糖通過對(duì)細(xì)胞粘附和神經(jīng)突觸生長(zhǎng)的調(diào)控，對(duì)神經(jīng)元細(xì)胞的行為有深刻的影響。

豬腦子制備的基質(zhì)膠與matrigel?培養(yǎng)腦類器官的對(duì)比

與matrigel相比，豬腦子ECM的腦類器官看起來似乎層次更加清晰。

(Zafeiriou?et al., 2020)等用I 型collagen膠原作為基質(zhì)制備了腦類器官，這篇文章的重點(diǎn)不是基質(zhì)膠。作者之所以不用matrigel，是想建立成分完全明確的培養(yǎng)體系。由此可見matrigel多么不受待見。

二 植物來源的基質(zhì)膠

(Curvello?et al., 2021)?等用0.1%的植物納米纖維素的基質(zhì)膠成功的培養(yǎng)了小腸類器官，我想作者之所以寫納米纖維素純粹是為了顯得更加有高科技的感覺。作者指出matrigel的批次間一致性只有50%，實(shí)在是我沒有預(yù)計(jì)到的。

作者之所以獨(dú)樹一幟的用植物纖維素制備基質(zhì)膠的另外一個(gè)原因，是其他的方案都有人探索過，而植物的方案還極少有人探索研究。這也算為了追求創(chuàng)新性無所不用其極。

與下面的PEG方案類似，作者也用了纖連蛋白R(shí)GD基團(tuán)，以提升細(xì)胞間的相互作用和粘附。

三 人工合成的大分子聚合物基質(zhì)膠

上面講到的脫細(xì)胞制備的基質(zhì)膠、膠原、matrigel等，都是動(dòng)物來源，不適合臨床的應(yīng)用。最起碼殘存的動(dòng)物蛋白成分會(huì)引起宿主的免疫反應(yīng)。

而(Sorrentino?et al., 2020)等用PEG作為骨架，整合肝臟中發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵ECM蛋白，如laminin-111，IV型膠原，纖連蛋白，制備了完全化學(xué)合成的基質(zhì)，并且成功的用于肝臟類器官的培養(yǎng)。

完全化學(xué)合成的好處是可以試驗(yàn)很多條件，如把全長(zhǎng)的纖連蛋白替換成整合素識(shí)別的肽段RGDSPG，可以有類似的結(jié)果。

另外一個(gè)有意思的發(fā)現(xiàn)是，matrigel培養(yǎng)6天左右在各種因素的作用下就會(huì)變軟、結(jié)構(gòu)惡化，但是PEG凝膠基質(zhì)可以穩(wěn)定的培養(yǎng)肝臟類器官14天以上。

PEG基質(zhì)的肝臟類器官，但從染色來看，背景干凈很多?

(Jowett?et al., 2021, p. 1)等利用了人工合成PEG基質(zhì)膠可以調(diào)節(jié)硬度stiffness的優(yōu)勢(shì)，利用ILC1和小鼠腸道類器官共培養(yǎng)體系，研究了稀有細(xì)胞ILC1對(duì)細(xì)胞外基質(zhì)的重塑，以及對(duì)微環(huán)境的影響。

這種成分明確的簡(jiǎn)單體系，可以排除很多干擾和擾動(dòng)，讓ILC1或者其他細(xì)胞對(duì)腸道上皮的作用明確的顯現(xiàn)出來，不至于被淹沒在噪聲之中。

當(dāng)然這種體系缺少了多種細(xì)胞和因素之間的相互作用。但是科學(xué)就是從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，直接上來就研究復(fù)雜體系，面對(duì)一個(gè)黑匣子，可能永遠(yuǎn)也弄不清楚。

文章小結(jié)

基質(zhì)膠作為3D類器官培養(yǎng)必不可少的材料，一直沒有引起多大重視，大部分人因循守舊采用matrigel，有遠(yuǎn)見的科學(xué)家為了將來的再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用，已經(jīng)開展了各式各樣的探索，并且發(fā)了很nice的paper。

當(dāng)然也有很多文章采用了matrigel之外的BME基質(zhì)，如cultrex，geltrex等，雖然沒有深究其來源，大約的猜測(cè)是和matrigel類似，至少也是動(dòng)物源性的基質(zhì)膠，因?yàn)橐灿術(shù)rowth factor reduced生長(zhǎng)因子減量等字樣。

1 用相應(yīng)組織脫細(xì)胞制作的基質(zhì)膠培養(yǎng)對(duì)應(yīng)的類器官，理論完美，完全匹配組織微環(huán)境的各種因子和蛋白，甚至ECM蛋白與結(jié)構(gòu)也是完美匹配。結(jié)果也非常好。

2 大分子PEG人工合成的基質(zhì)膠，成分完全可控，硬度和軟度也完全可控。因此在研究機(jī)械性能對(duì)類器官的影響有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

3 植物纖維素的方案，與PEG類似，成本極低。

參考文獻(xiàn)

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Simsa, R.?et al.?(2021) ‘Brain organoid formation on decellularized porcine brain ECM hydrogels’,?PLOS ONE, 16(1), p. e0245685. doi: 10.1371/journal.pone.0245685.

Zafeiriou, M.-P.?et al.?(2020) ‘Developmental GABA polarity switch and neuronal plasticity in Bioengineered Neuronal Organoids’,?Nature Communications, 11(1), p. 3791. doi: 10.1038/s41467-020-17521-w.

Curvello, R.?et al.?(2021) ‘Engineered Plant‐Based Nanocellulose Hydrogel for Small Intestinal Organoid Growth’,?Advanced Science, 8(1), p. 2002135. doi: 10.1002/advs.202002135.

Jowett, G. M.?et al.?(2021) ‘ILC1 drive intestinal epithelial and matrix remodelling’,?Nature Materials, 20(2), pp. 250–259. doi: 10.1038/s41563-020-0783-8.

Meran, L.?et al.?(2020) ‘Engineering transplantable jejunal mucosal grafts using patient-derived organoids from children with intestinal failure’,?Nature Medicine, 26(10), pp. 1593–1601. doi: 10.1038/s41591-020-1024-z.

Sorrentino, G.?et al.?(2020) ‘Mechano-modulatory synthetic niches for liver organoid derivation’,?Nature Communications, 11(1), p. 3416. doi: 10.1038/s41467-020-17161-0.

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