Cell Stem Cell 观点 | 当合成生物学遇上类器官培养

唐庆旺

编译 | 雪月

有机体的发育由祖细胞的内在遗传程序以及复杂的时空环境决定的。将祖细胞离体培养成类器官为探索机体发育提供了一个很好的工具。目前类器官的培养主要使用可溶性因子或者生物材料来调控发育环境。合成生物学的发展为类器官培养提供了更多的工具，实现了从基因层面操纵细胞，改进类器官培养，增强组织的再生能力。

近日，美国加州大学旧金山分校的Wendell A. Lim 和 Ophir D. Klein合作在Cell Stem Cell上发表题为Harnessing synthetic biology to engineer organoids and tissues 的观点性文章。回顾了新兴合成生物学工具应用于类器官培养的现状以及前景分析。




体外重建发育过程
在过去几年中，发育生物学的一大进步是类器官的系统使用。类器官是由一种或多种类型的祖细胞及其后代组成的3D结构。它们具有自我组织的能力，这些结构具有其代表的组织和器官的内在特性。类器官可以应用于探索和模仿不同的发育系统，扩展对细胞分化的理解。它还提供了一种很有应用价值的临床建模工具。类器官可以从成年哺乳动物或分化产生多能干细胞培养而来。大多数类器官培养的核心是一系列形态发生刺激步骤。但是向培养基中添加形态发生因子并不能反映内体呈现出的复杂空间几何结构。由此产生的类器官可能缺乏组织或器官的复杂的不对称结构。解决这些限制的一个方法是使用工程材料和设备，为类器官培养提供体内存在的机械和空间环境条件。尽管过去几年取得了一些进展，但是类器官仍缺乏对应体内的复杂结构。而且生成类器官也很昂贵，消耗资源，需投入大量时间。因此该领域的一个关键挑战仍然是提高培养的精确度和效率。
为了应对这些问题，作者认为可以利用合成生物学来应对这些挑战。作者首先定义了合成生物学如何应用于发育生物学。作者又回顾了新兴的合成生物学工具，以及如何应用这些工具到类器官培养系统。

将新兴的合成生物学工具应用于类器官培养
合成生物学的新兴领域对于发育生物学有很大贡献，尤其是通过类器官重塑器官和组织的体外发育。作者将合成生物学定义为使用细胞工程有目的地重新设计细胞的行为和功能。在体外开发过程中，合成生物学可以提供独特工具来重建空间和动态信号，调控细胞间通讯。具体到合成生物学工具，作者主要回顾了五类：光遗传/化学遗传学工具、近分泌（短程）细胞间通讯、远程细胞通讯、细胞粘附分子和细胞命运开关。
光遗传学工具
目前已经有多种光遗传学的方法来调控细胞及其活动，这些方法也已经应用到多种研究中。光照能够达到很高的时间和空间上的精度，因此光遗传学方法比传统的药理学方法具有多种优势。将光诱导蛋白融合到形态发生因子受体的细胞质区域，合成光诱导嵌合受体。这些结构域在光刺激下寡聚化，从而诱导受体激活。在哺乳动物细胞内，已经开发出光遗传嵌合受体用来诱导多种形态发生因子信号通路，包括Wnt/b-catenin, Wnt/Frizzled7, TGFb, BMP, Nodal, FGF 和 Erk信号。

通过短程（近分泌）信号调节细胞通信
在发育过程中，细胞间相互交流决定分化和形态发生，因此调控细胞间短程信号交流很重要。作者重点关注了基于Notch合成的系统（synNotch），synNotch是调控细胞间相互作用的强大工具。synNotch由一个细胞外抗原识别结构域（通常是scFv或纳米抗体），还包含一个蛋白水解切割位点的Notch核心跨膜结构域和一个转录因子组成。当synNotch识别靶抗原时，系统会释放转录因子诱导转录效应。

通过远程（可扩散信号）调节细胞通信
可扩散的形态发生因子是发育生物学的核心组成。越来越多的合成受体可以识别可溶性因子并激活特定的基因调控程序，灵活的连接输入和输出。合成受体包括TANGO、CHA-CHA、MESA、GEMS。尽管目前这些合成受体在发育环境中的应用还有所限制，但至少它们可以传输局部环境的相关空间信息，用于构建可操控的多细胞系统。

工程化细胞粘附和多细胞结构
工程化的细胞粘附已经被用于提高胚状体的自组织效率。在模型中，细胞进行自我组织时，产生官腔结构，并形成中胚层和内胚层，类似于体内胚胎。但是组装效率有限，只有约15%的结构可以形成正确的构造。使用工程化细胞粘附可以创建多细胞结构，并诱导类器官中的结构重排。

工程化调控细胞命运
在控制细胞数量和细胞类型比例的同时，又能调控细胞的生长是发育生物学和合成生物学中的挑战。早期调节细胞生长的尝试依赖于诱导细胞凋亡。在发育过程中，细胞不仅数量会增加，细胞类型也会增加。驱动遗传分化的经典案例是哺乳动物中用转录因子人工诱导来调控细胞命运。而将这些工具应用于类器官培养时，需要考虑其调节性大小。在进行探索时需要了解多大强度的信号才能引起效应，以及需要持续多久时间。

合成生物学应用于类器官还处于早期阶段，但是它有很大的潜力。合成生物学可以让我们预测和设计更为复杂的组织形态和功能特征。如若能够培养更多类似于体内器官功能的类器官，并且具有更高的复杂性和可重复性，这些都能成为很好的疾病模型，也可以进行更为有效的体外药物预测试验。改进的类器官培养或许也能够在将来助力于器官移植，避免排斥反应，甚至可以实现在受伤部位原位再生。

原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.stem.2022.12.013

转载须知【原创文章】BioArtMED原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArtMED所拥有。BioArtMED保留所有法定权利，违者必究。