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一种基于类器官的器官再利用方法治疗短肠综合征

作者:admin 信息来源:达科为 日期:20210623 打印 字体:  
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时隔12年,Hans博士的得意门生,现就任于日本Keio大学的Toshiro Sato及其团队在Nature上发表了题为:An organoid-based organ-repurposing  approach to treat short bowel syndrome 的最新研究进展。该研究利用小肠和结肠上皮细胞结构相似性,使用类器官移植将结肠上皮替换为小肠上皮,产生“小肠化结肠”(small intestinalized colon SIC),SIC可以血管化并能够形成淋巴结构,指导结肠中小肠结构的形成。

小肠是吸收营养的主要器官,各种情形下(包括手术等)的切除会导致吸收不良和消瘦,这被称为短肠综合症(SBS)。

小肠移植目前来看暂时仍是唯一治疗SBS的方法。但是严重的同种异体排斥反应会降低患者生存概率和这种治疗的长期效果。因此,寻找新的治疗方法就显得非常紧迫了。而类器官技术则可以在体外有效地扩大肠道上皮组织的面积,具有巨大的潜力。

该研究中,亚博全意甲用回肠来源的类器官代替天然结肠上皮,从而培养出了小肠化结肠(SIC)。首先,亚博全意甲发现异体移植的人类回肠类器官保留了它们的区域特征,并在小鼠结肠中形成新生的绒毛结构。体外培养的单层类器官进一步揭示了腔内的机械流在绒毛形成中的重要作用。然后,亚博全意甲通过将SIC重新定位在回盲肠交界处来研究大鼠的SIC模型,在该回肠交界处,上皮细胞暴露于恒定的肠腔内液流中。这种解剖学上的位置改变为SIC提供了小肠的器官结构,包括完整的血管和神经系统,绒毛结构和乳糜管(小肠特有的吸收脂肪的结构)。SIC具有吸收营养的功能,在SBS大鼠模型中可显着改善肠道衰竭,但如果移植的是结肠类器官而非回肠类器官,那就一定会导致死亡。这些数据可以作为回肠类器官用于再生目的的机制证明,并为治疗SBS提供了潜在的可行策略。

该研究详情如下:

首先将人小肠类器官移植到免疫缺陷小鼠的结肠表面。


将人类回肠或结肠类器官移植到免疫缺陷(NOG)小鼠结肠

结果显示异种移植回肠类器官会构建小肠上皮组织的绒毛结构,而且重构的绒毛结构会表达与营养物质转运相关的蛋白。因为移植物自发形成了小肠绒毛结构,作者开始探索什么因素促进了绒毛形成。

于是研究者便开发了一套培养体系,可以使小肠类器官形成2D平面结构,单向生长,更接近体内情况。并在其表面进行恒定的刺激,通过这个实验,研究者们发现了机械力是刺激形成绒毛结构的重要因素。


上图为连续流动的小肠类器官的二维培养。 

下图为存在(+)或不存在(-)流动的培养基的情况下培养四天的2D十二指肠和结肠类器官的镜下图片。(苏木精和曙红染色)

二维十二指肠样器官连续血流的多光子深度编码成像。

图像以三维(3D)方式堆叠,并根据从下到上的距离来着色。

接下来作者设计实验,通过大鼠来验证以上结果,因为大鼠能够允许研究者们进行解剖以观察SIC的重构。首先,用大鼠对人短肠综合征进行建模,若保留回肠末端3厘米,可以有效改善手术后大鼠生存情况,降低肠衰竭发生的可能性,而保留4厘米空肠则不能够产生类似的效果。接下来研究者对大鼠进行了完全的空肠回肠切除,并在回盲瓣部位进行了回肠类器官的移植。结果显示,与手术组的死亡率低于30%,移植率近100%。原位杂交以及免疫组化显示SIC存在LGR5+干细胞以及其主要分化的细胞类型,也包括负责吸收营养物质的肠上皮细胞。


通过上皮置换产生SIC的策略。顶部,结肠上皮被去除(EDTA处理),然后回肠类器官被移植。在进行介入手术之前,移植的回肠上皮显示出隐窝状结构(左下图和图像)。移植后,会形成绒毛状结构(右下图和图像)。白色箭头表示潘氏细胞。


分两步进行的手术方法,用于在空肠的起点和回肠的终点之间插入需要移植的结肠类器官。

为观察SIC的治疗效果,研究者首先通过带有生物发光的类器官确认移植了结肠类器官和回肠类器官的两组大鼠移植率相同。结肠类器官移植组的大鼠两周之内状态几乎都接近死亡,而在回肠类器官移植组,体重减轻的症状得到缓解,生存率得到提高。生存期长的大鼠中类器官植入面积明显增多。这说明类器官有效稳定的植入对于达到良好的治疗效果举足轻重。再进一步分析小肠结构表明,SIC 能够发挥小肠的基本功能,并重塑淋巴管结构,SIC也能够维持神经回路调控和自主神经支配的肌层组织。相较于肠道菌群的变化,移植了回肠类器官的大鼠的菌群与保留3厘米回肠都小鼠类似,这表明回肠类器官对塑造肠道菌群也具有重要作用。


以单盲的方式移植回肠或结肠类器官的实验策略。

综上,该研究用类器官移植的方法治疗了短肠综合征,为自体类器官再生医学提供了概念支持,为克服体外干细胞和临床转化之间的鸿沟做出了里程碑式的贡献。

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