不同类型3D类器官在新冠病毒研究中的应用
2023年5月5日，世界卫生组织总干事谭德塞在日内瓦举行的发布会上宣布，新冠疫情不再构成“国际关注的突发公共卫生事件”。但谭德塞在发布会上也指出，宣布新冠疫情不再构成“国际关注的突发公共卫生事件”，这并不意味着新冠作为一种全球健康威胁已经结束。上周，新冠仍然每三分钟就夺走一条生命，全世界仍然有成千上万的人正在重症监护室里为他们的生命而战。新冠病毒不会消失，人类要加强对自然界的监控。同时，药物、免疫治疗的研究不能停下，以防以后再有类似情况发生。
2019新型冠状病毒肺炎已经成为一场“大流行病”，这一致命的疾病对人体多器官造成了损伤，包括呼吸系统、胃肠道系统和神经系统等。类器官作为一种具有自我更新、自我组织能力和再现来源组织生物学结构和功能的新型研究模型，已广泛应用于新冠病毒研究。它不仅能模拟新冠肺炎的感染机制、临床特征，还能为抗病毒药物筛选带来新的希望。
类器官模型特性
 图1 不同来源的干细胞形成的类器官（图片来源于文献[1]） |
类器官(organoids)是一种利用胚胎干细胞(embryomic stem cells，ESCs)、诱导多能干细胞(inducedpluripotent stem cells，iPSCs)或成体干细胞(adult/tissuestem cells，ASCs)获得的三维构建体。 |
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类器官模型拥有与来源组织器官类似的空间组织并能重现相应器官的部分功能，已应用于包括肺、肠道、胃、肝脏、肾脏、大脑、视网膜等多种正常或肿瘤组织的类器官研究模型中。 |
类器官培养常用小分子化合物
小分子化合物是指分子量小于1000Da（尤其小于500 Da），具有生物学活性的化合物。小分子化合物与细胞因子和蛋白不同，小分子可以透过细胞膜进入细胞，发挥相应的生物学功能。小分子化合物的作用靶点众多，已广泛应用于干细胞、类器官、免疫学、神经生物学、表观遗传学、细胞凋亡、离子通道、肿瘤学和信号转导等生命科学中诸多重要的研究领域。
表1 类器官培养常用小分子化合物
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产品名称 |
作用及推荐浓度 |
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Y-27632 |
处理人胚胎干细胞1h，可抑制干细胞的凋亡，提高克隆效率，延长细胞的传代。推荐工作浓度：10μM。 |
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SB202190(FHPI) |
可诱导人胚胎干细胞向心肌细胞分化，促进神经干细胞的自我更新，可用于胃肠道、乳腺类器官的培养。推荐工作浓度：10μM。 |
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CHIR-99021 |
可诱导人胚胎干细胞向内胚层分化，在肾脏和视网膜类器官培养中用到。与其他试剂结合使用，能刺激体细胞重编程为干细胞。推荐工作浓度：3μM |
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A 83-01 |
用于肝脏、前列腺以及乳腺类器官的培养，抑制iPSCs的分化，维持体外细胞的自我更新。推荐工作浓度：2μM，现配现用。 |
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胃膜素(人) |
用于胃肠道类器官的研究。肠道及肝脏类器官培养时，需要添加胃泌素来延长类器官的存活时间。推荐工作浓度：10nM |
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烟酰胺 |
促进间充质干细胞分化成胰岛素生成细胞，抑制sirtuins活性，并用于促进类器官的形成和延长类器官的寿命。推荐工作浓度：10mM。 |
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佛司可林 |
诱导多种类型细胞的分化并激活PXR和FXR，具有血小板抗凝集和降压作用，与其他小分子联合使用时，可诱导成纤维细胞重编程为iPSCs。肝脏类器官培养的过程中必须添加该物质。推荐工作浓度：1-10μM。 |
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前列腺素E2 |
前列腺素E2(PGE2)与特异的受体结合后可介导细胞增殖、分化，在肝脏类器官和前列腺类器官培养时需要添加。推荐工作浓度：500nM |
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乙酰半胱氨酸 |
抗氧化剂谷胱甘肽的前体，具有抗氧化作用，也是ROS抑制剂，抑制神经元细胞凋亡，在大多数类器官的培养过程中都需要添加该物质。推荐工作浓度：1mM。 |
类器官在新冠病毒研究中的应用
新冠患者表现出的症状多种多样，常见临床症状为呼吸系统损伤，部分患者出现急性心衰、肝肾损伤等多器官功能衰竭[2]。而病人尸检结果显示，在多种组织和器官中都检测到了病毒基因组，如肺、肠、咽、心脏、肝脏、肾脏、大脑等[3]。病毒如何进入人体不同组织的细胞，如何在宿主细胞内复制，宿主与病原体之间的相互作用，这些研究需要一个能展示组织结构组成信息及组织生理功能的模型，而源自不同组织类型的类器官已应用于新冠病毒感染研究中，成为研究新冠病毒感染病理生理学以及药物评估和体外毒理学研究的良好模型（表2）。
表2 不同类型3D类器官在新冠病毒中的研究
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类器官类型 |
来源 |
研究内容 |
参考文献 |
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肺 |
iPSCs |
病毒感染AT2细胞，并诱导强烈的趋化因子响应，用于高通量抗病毒药物筛选。 |
[4] |
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血管 |
iPSCs |
病毒感染，hrsACE2显著抑制感染。 |
[5] |
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小肠 |
人小肠组织 |
病毒感染小肠类器官中的肠上皮细胞，引起病毒响应程序。 |
[6] |
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眼 |
ESCs |
病毒感染角膜缘，引起强烈的NF-κB响应，Ⅰ/Ⅲ型干扰素下调。 |
[7] |
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结肠 |
人结肠组织 |
病毒感染并在类器官中复制。 |
[8] |
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脑 |
iPSCs |
病毒感染脉络丛上皮，导致炎症反应失调、血脑脊液屏障功能受损。 |
[9] |
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肾 |
ESCs |
病毒感染，hrsACE2显著抑制感染。 |
[10] |
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肝胆管 |
iPSCs |
分别诱导分化形成肝脏类器官和胆管类器官；病毒感染引起趋化因子响应。 |
[11] |
类器官原代培养操作流程
