临床应用的人类诱导多能干细胞瀑样作为替代器官移植

文摘

移植是必不可少和至关重要的个人患有终末期器官衰竭的疾病。然而,对于这些过程仍有许多挑战,如高器官排斥,器官捐献者短缺,和长时间的等待。因此,投资和开发实验室内培育的器官增加了在过去的几年中,在再生医学和最近的进展,越来越多的器官在体外在未来几十年可能是一个现实。的一个解决这个问题的许多不同的策略依赖于瀑样技术,小型和简化版本的一个器官。在这里,我们解决瀑样研究最新进展,关注移植肠,视网膜,肾脏,肝脏,胰腺,大脑、肺、心脏瀑样。同时,我们讨论的主要结果瀑样移植后,这些有前途的再生医学的方法所面临的共同挑战,和未来的角度。

1。介绍

器官移植仍然是一个重要的和必要的程序,增加许多器官衰竭疾病患者的总生存期。主要报道,器官移植改善这些患者的生活质量(QoL)。例如,肾移植对患者提供更多的利益和更好的生活质量相比,血液透析(1- - - - - -7]。尽管医学和技术先进的极大地在过去的几年中,器官移植仍面临许多问题:伦理和宗教上的争议(因为很多器官都来自脑死亡或non-heart-beating捐助者);器官买卖;器官排斥的风险升高,健康并发症的可能性posttransplantation活体供体和受体;额外的测试移植前的必要性;连续使用免疫抑制药物/治疗;和心理上的影响(8,9]。即使大多数条件有利于移植,可用捐助者的数量通常不包括患者需要捐赠的数量。例如,在美国,在2013年进行的一项调查显示,超过116000名患者在移植等待名单,但只有28000经历了这个过程10- - - - - -15]。

有些问题原因降低了患者的生命质量posttransplantation [16- - - - - -19]。因此,迫切需要新的组织和器官修复替代策略。在过去的几年中,实验室内培育的器官已经发展的许多类型的研究的重点。

在2006年,一个大步朝着这个目标是由山中,合作者20.]随着诱导多能干细胞(万能),可能引发许多新的其他技术的出现,如3 d生物打印和瀑样开发、制造生产organ-like结构在实验室一个接近现实。在这里,我们将讨论如何将这些新技术已经进化到瀑样开发、移植的新见解不同类型的瀑样,其结果,和挑战。

2。操纵细胞身份:基础

细胞操纵是一个重要的工具来提供高效、可靠的生物信息,允许各种人类疾病的研究通过一个模拟的系统在活的有机体内生理条件下(21,22]。细胞操纵的第一次尝试可以追溯到1907年,当罗斯哈里森不仅开发了一个创新在体外方法,隔离蛙胚胎神经纤维,还保持着他们成功地在文化23]。之后,1955年,国王和布里格斯发明了一种方法来将胚胎细胞的细胞核转移到无核的青蛙蛋(24]。1962年,古尔证明细胞专业化是一个可逆过程;青蛙卵细胞的成熟细胞核被成熟的肠道细胞核取代,生成zygote-like细胞成功地发展成为一个正常的蝌蚪(25]。1981年,埃文斯和考夫曼获得胚胎干细胞(从小鼠胚胎的ESCs) (26),1995年,汤姆森从灵长类动物等人孤立的ESCs的第一27]。

这些成就贡献的发展和培养的ESCs来自人类胚胎的方法,始于1998年(28),一直持续到现在,导致重大突破,如发现Yamanaka)和他的同事在2006年如何重组体细胞到多能干细胞(已经)20.]。作者发现异位表达定义的四个因素,Oct3-4,原癌基因,Sox2,Klf4,是必要的和足够的重组成人细胞到多能性状态,生产万能(20.]。这种革命性的技术打开了无数可能的应用影响个性化医学,药物筛选,和人类疾病模型,没有伦理障碍,治疗性克隆和使用人类胚胎。此外,由于从万能干细胞生成特定的细胞的可能性,这一发现也带来了一个可能的解决方案来规避免疫排斥反应,移植的主要并发症之一。

3所示。瀑样:为什么使用一个立体的系统?

许多面向临床细胞疗法的研究报道有争议的结果对治疗证据和不良事件(29日,30.]。最早期的研究依赖于二维文化,无法复制生物细胞之间的相互作用和细胞间和细胞外基质(ECM),这发生在本地组织(31日]。相反,三维(3 d)细胞培养系统可以模仿在活的有机体内涉及信息的条件和cell-matrix交互,如信号通路和旁分泌信号的动态监管。一些三维培养系统的例子包括球状体,组织工程结构,和瀑样32]。

瀑样排列结构,通常起源于干细胞,由多种细胞类型,自组织在文化、部分重建组织原生结构,形态,和几个生物相互作用发生在活的有机体内(33,34]。虽然这个研究领域已经开发了很多在过去的十年中,特别是在iPSC开发、瀑样的研究可以追溯到20世纪初。1910年,威尔逊表明成年细胞包含足够的信息来reaggregate剥离,并self-reorganize绑定到一个特定的多细胞结构类似原来的器官,没有细胞外的影响(35]。

瀑样的形成取决于self-patterning的重演,形态形成,通过操纵和架构重组物理性质的文化环境;内源性和外源性信号;和启动细胞类型文化与适当的条件(36]。人类胚胎发育期间,有一个高度和严密策划从受精卵到自组织的细胞分化过程。为了复制这个过程在体外在特定血统,万能干细胞诱导分化形成组织瀑样与3 d生物化学信号(31日]。

几个参数控制刺激自我更新、分化和自组织31日]。选择瀑样推导方法主要取决于瀑样类型,所需的组织分化,以及什么是最终的实际应用。

瀑样可以由自组装,当悬浮细胞自组织文化通过内源性信号细胞聚集。其他策略包括感应与外源信号开始,然后允许自组织的细胞或提供外生因素不断(36]。分化干细胞可以播种连同其他细胞,如内皮细胞和间充质细胞,结合在一起,形成一个三维结构。Takebe等人在2015年出版了广义方法器官芽生产不同类型的组织,在间充质干细胞(msc)列入结构。MSC-driven收缩是必不可少的瀑样自凝固,可以复制对许多类型的细胞,如肝、肺、心脏、大脑和肠道细胞(37]。事实上,瀑样间质利基似乎重要的嫁接和移植后成熟38]。

ECM瀑样系统的一个重要组成部分,它必须支持细胞增殖,并使细胞粘附,扩散的营养和生长因子(39]。干细胞必须严格与ECM组件,如层粘连蛋白、胶原蛋白、纤连蛋白、干细胞的重要监管机构行为、迁移和分化,尤其是通过交互和整合素受体(40]。基底膜基质,来源于小鼠检查参与组成分泌腺癌细胞41),被广泛用作瀑样的ECM制造业。然而,有很多很多变异,这在标准化文化带来了额外的困难条件下,它还可能引发免疫反应。一些替代运载工具瀑样移植被提出,如十字型聚(乙二醇)(挂钩)42,43407年]和泊咯沙姆triblock共聚物组成的中央疏水性聚丙烯乙二醇块两侧是两个亲水块挂钩的44]。单细胞基因组学和基因组克隆编辑可以更好地理解细胞行为,信息交互,细胞迁移和组织组织,导致生成新的ECM组件兼容瀑样系统(45]。

立即申请瀑样技术是疾病模型和药物筛选。终极目标,考虑到承诺瀑样在再生医学中的应用,是执行移植修复瀑样恢复或改善组织功能。在这方面,一些初步研究已经评估瀑样可移植性。移植小鼠模型正在进行此项测试,组织移植、生物相容性、功能评估。在这里,我们审查的主要发表在这一领域工作,凸显了肠道的主要结果,视网膜,肾脏、肝脏、胰腺、肺、脑和心脏移植瀑样(表1和2)。

4所示。移植的瀑样

4.1。肠道瀑样

2009年,聪明和他的同事们雇佣的概念首次瀑样时注意到成人肠道干细胞的增殖和自组织能力在体外形成基因稳定的三维结构(73年]。自从,投资增加肠道瀑样生产和优化文化条件分化和自我组织和许多努力使其可移植性,许多疾病,如短肠综合征、克罗恩病、肠和遗传疾病,可以通过肠道移植治疗。然而,仍然有相当多的问题,如移植排斥、手术并发症和感染的风险74年),揭示了需要创建新的肠道器官替换策略。

许多研究试图评估肠道的可移植性瀑样来自成人或胎儿鼠标/鼠肠细胞(46,47从已经被]或分化细胞38,49- - - - - -51]。肠上皮瀑样来自鼠标或鼠成人肠orthotopically移植和显示成功的移植和肠上皮细胞的存在,enteroendocrine细胞,Paneth细胞,杯状细胞和reepithelization回肠粘膜受损46]。瀑样来自增强型绿色荧光蛋白(EGFP⁺)小鼠,管理与诱导急性结肠炎小鼠免疫功能不全的,被证明是成功的,因为它形成凹入衬里,囊性结构,与鼠标上皮。此外,EGFP⁺瀑样移植再生结肠上皮受伤,改进的体重和有能力恢复上皮屏障功能(47]。在这个研究中,证明了EGFP⁺鼠标隐窝细胞瀑样,来自一个富亮氨酸repeat-containing g蛋白耦合受体5 (Lgr5就⁺)干细胞,可以嫁接到小鼠结肠癌和留在增殖和细胞分化能力(47]。

第一个工作报告功能使用已经被人体肠道瀑样移植于2014年由沃森和合作者。下一个肠道瀑样移植肾胶囊显示伟大的移植和成熟,在尺寸和体积增加,相当大的血管化。此外,他们报告绒毛高度增加,平滑肌层厚度、隐窝和裂变和深度,由于体液因素的释放回盲肠的切除术后(38),因此证明肠道瀑样应对发布的体液因素主机和上皮肽吸收的能力,提供了一个肠道屏障。2015年,用同样的方法瀑样生产沃森Finkbeiner等人进行了transcriptome-wide无偏肠道瀑样的分析,展示成功的移植在活的有机体内成熟的和高表达标记(Paneth细胞的存在和表达OLFM4)。同时,瀑样获得肠架构与绒毛含有固有层和间充质细胞类似于成人(48]。

使用ECM的替代来源,2017年Cruz-Acuna和合作者研制出一种肠道瀑样与十字型挂钩,小分子与马来酰亚胺组织在每个终点站,,12周后,显示瀑样增长(10 - 40倍大于初始瀑样),crypt-villus架构,和再生的结肠伤口,类似于结果观察到当这些瀑样与基底膜基质栽培™(49]。此外,追踪移植后肠道瀑样的命运,移植被promoter-reporter评估生物传感器在小鼠小肠的腔,使用KLF5^mCherry或ISX^eGFP记者表示,允许细胞命运的监测和分化在活的有机体内。三个小时后结果显示荧光信号,只要移植后一个星期,表示瀑样成功移植(50]。

大多数肠移植研究进行使用与移植肾胶囊网站。然而,肠系膜移植肠瀑样代表了更多的生理策略是观察到85%的移植到宿主(51]。同时,比较移植瀑样10周后和他们在体外同行透露,瀑样尺寸和体积,以及元素从上皮、间质,和肌肉层,大。组织学检查瀑样像人类肠道组织,与特定的细胞谱系,牙龈元素,和肌肉,表达了肠道成熟标志,接到肠系膜血管血管的生成。本研究在这个领域是一个重要的进步,因为它创建了一个模型,可以促进肠道瀑样的转化研究移植(51]。

尽管进步发展的肠道瀑样,研究提到,关于肠道瀑样克服移植仍有局限性,如(1)肠道瀑样移植的结果之间的差异不同的啮齿动物或物种;(2)必要性改善移植,肠清创术,瀑样优化;(3)困难直接比较两个模型的移植(原位和异位);和(4)问题与功能基因表达的意义比较明显的发展阶段。

4.2。视网膜瀑样

视网膜疾病(RD)是视力丧失的主要原因和障碍,造成损失或损害的感光细胞。多年来,许多RD-related研究已经完成,尤其是在视网膜色素变性(RP)和年龄相关性黄斑变性(AMD) [75年]。由于没有治愈和治疗这种类型的访问障碍,有极大的兴趣在发展中方法移植视网膜光感受器前体或衍生品。

许多作品进行涉及多能细胞的移植衍生品(iPSC-derived视网膜细胞或人类胚胎干细胞视网膜(hESC-retina)),其中大部分与承诺和可行的结果76年- - - - - -83年]。在这种情况下,三维细胞培养系统的发展已成为一个模型使视网膜组织,移植,其衍生细胞大量临床移植测试(82年- - - - - -84年]。

第一个协议的视网膜瀑样被Eiraku来源于小鼠ESC和合作者在2011年(85年,86年]。后来,2012年,Nakano和他的同事开发了一个ESC-derived视网膜瀑样,他们不仅报道,hESC-derived视杯是大于一个来自小鼠ESC(制),但也报道,hESC-derived神经视网膜成长为多层组织包含视杆细胞和视锥细胞,而锥分化是罕见的在公司的文化87年]。

后来,随着iPSC和三维培养系统,生产不同视网膜3 d结构从老鼠和人类多能细胞显著改善(75年,84年,88年- - - - - -90年]。2013年,冈萨雷斯等人进行移植视网膜瀑样分化的拟胚体(EB)Gnat1^−−/老鼠(展品固定夜盲症)。2014年,Assawachananont等人进行3 d的第一个移植视网膜床单,来自公司和鼠标iPSC,rd1老鼠(模型和快速进步的RP)。同年,Decembrini等人开发了一个公司的3 d文化系统产生大量的光感受器。一旦移植,3 d演示了成熟视网膜结构,形态一体化,生产新的感光细胞,与外核层的集成(筒)和外段,phototransduction通路蛋白的表达,形成突触连接的84年,89年- - - - - -91年]。

2016年,Santos-Ferreira等人开发mESC-derived视网膜瀑样,移植的小鼠的视网膜下空间轻微或严重的遗传性锥体杆体变性:Prom1^−−/(prominin1-deficient)和tg(Cpfl1;ρ^−−/)小鼠(模型产生的交叉锥体光感受器功能损失一个鼠标Cpfl1——视紫红质基因敲除小鼠-ρ^−−/),分别。瀑样能够生产杆光感受器,当移植Prom1^−−/老鼠,能够整合与主机辊筒,化脓,生存,和表达的重要蛋白质phototransduction通路,以及突触标记。另一方面,tg(Cpfl1;ρ^−−/)小鼠移植感光细胞表达杆突触标记和标记而不是没有达到形态成熟(56]。产生瀑样Kruczek等人,2017年获得锥感受器,负责斡旋在白天高灵敏度和色觉。这些mESC-derived瀑样生产锥的视网膜下空间移植到受体Aipl1^−−/老鼠(晚期视网膜变性的一个模型)。锥感光细胞生成在体外不仅成熟和在主机的眼睛健康和存活Aipl1^−−/老鼠也显然与内在身体接触视网膜神经元。他们还表示突触传递标记,以及phototransduction-related蛋白质(57]。2018年,McLelland等人产生hESC-derived视网膜瀑样表,然后放置在视网膜下的空间SD-Foxn1 Tg (S334ter) 3盥洗室(严重的RD裸体免疫缺陷鼠模型)。移植视网膜瀑样表表现出成熟、集成、分化,生产功能性视网膜感光细胞和其他细胞,突触激活,大量移植主机RD视网膜内预测,提高PSC视力和感光性58]。

即使这些临床前研究前景和极有价值的结果,他们还指出限制:(1)视网膜瀑样是由异质细胞的数量,这可能是肿瘤形成的风险,细胞污染,和急性免疫反应(56];(2)需要进一步调查关于视网膜的生理功能organoid-derived感光细胞(57];和(3)的情况下移植研究涉及视网膜瀑样源自人类万能(75年]。

4.3。肾脏瀑样

大量的终末期肾病患者依赖血液透析和肾移植(92年]。因此,它是非常相关的投资生产移植肾脏瀑样。肾脏是一个非常复杂的器官,由许多不同的细胞类型,以执行其足够的功能,需要一个复杂的三维结构;因此,瀑样的发展代表了一个有效的投资93年]。

第一个试图移植肾脏瀑样可以追溯到2012年,当Xinaris和同事产生肾瀑样来自单细胞悬浮液E11.5老鼠肾脏和肾被膜下植入他们的男性无胸腺的裸体老鼠。这些植入肾瀑样表现出完全分化的血管浸润肾小球毛细血管壁,形成成熟erythropoietin-producing细胞和生理功能,包括肾小球过滤和肾小管重吸收功能(59]。

2014年,田口方法导出后肾间质(MM)鼠标已经,负责生成许多肾脏组件。这个MM形成在体外肾3 d结构,如血管肾肾小球和肾94年]。还是在2014年,Takasato等人分化为成一个在体外自组织的肾元结构通过同步感应MM -和输尿管的开花如(乌兰巴托)祖细胞(95年]。2015年,Morizane等人开发了多功能hPSC-derived肾元祖细胞分化,能够形成nephron-like结构在2 d和3 d文化系统。这些瀑样表达足细胞,近端小管,亨利的循环,和远端小管标记,类似在活的有机体内肾元(96年]。接下来,在2015年,Takasato等人产生肾脏瀑样包含肾单位和集合管网络,足细胞的早期循环亨利,肾小球(97年]。2017年,田口等人产生肾脏瀑样来源于mPSC和hPSC毫米,乌兰巴托的感应。这种方法使肾脏瀑样高阶体系结构的发展,包括外围祖利基和内部分化和相互联系的肾元(98年]。

研究涉及肾移植瀑样已经开始直到最近。2018年,hPSC-derived肾脏瀑样移植免疫缺陷小鼠的肾被膜下。足细胞的移植肾瀑样表现出成熟,肾小球血管化,功能肾小球灌注,并与先前存在的血管网络。瀑样,无外源性血管内皮生长因子,开发host-derived血管化(60]。2019年,Garreta等人肾脏移植hPSC-derived瀑样成的鸡胚绒毛膜尿囊的膜(凸轮)。凸轮展示是一个很好的微环境血管化研究,因为它不仅是一种高度血管化的自然免疫缺陷软环境也容易操作和监控。除此之外,同时,水凝胶也使用,他们观察到肾瀑样移植到这些软环境刺激瀑样的分化和生长。CAM-transplanted瀑样表现出成功的移植、血管化、多血管,和血液循环61年]。同样,2019年,村上等人移植肾瀑样来自老鼠胚胎肾脏,在免疫缺陷小鼠的肾胶囊。移植的结果显示在体外血管的发展与广泛的乌兰巴托分支和肾小球的形成,以及小动脉的形成和重建的网络(62年]。

尽管瀑样肾脏移植的研究仍然稀缺,一些挑战已经指出,在考虑未来应采取转化研究,如(1)瀑样大小,肾脏瀑样生产大量的细胞呈现更高的存活率(59];(2)必要性研究生理功能(形成血管流和排尿)重建肾脏(62年];和(3)的肾脏是一个高度复杂和代谢器官,因此生物能学分析应考虑肾移植的瀑样(61年]。

4.4。肝脏瀑样

第一个功能性肝瀑样来自多能细胞是由Takebe等人(2015年37]。研究人员使用coculture hiPSC,人类脐静脉内皮细胞(HUVECs), msc,使细胞相互作用的重演在器官形成过程中,允许他们自组织成一个三维结构,类似肝芽(iPS-LB)在胚胎阶段。当移植到裸鼠,这些肝脏味蕾表现出快速48小时后的构造和功能形成血管的移植,右旋糖酐输液,显示功能人类血管形成和捐赠者之间的联系和宿主细胞。他们还评估血管的数量,已经增加了移植后三天,和船舶领域,类似于人类的肝脏。此外,他们评估药物的代谢活动,结果是阳性这重要的肝脏功能和拯救了药物引起致命的肝衰竭模型。

尽管他们有前景的结果,歌et al .(2015)认为,为临床相关的目的,研究人员需要使用免疫活性的老鼠。因此,他们决定生成肝瀑样一个稍微不同的协议,结合初始二维文化,以确保均匀分布的营养和分化的因素,与3 d文化,它允许复杂的信息之间的相互作用和cell-matrix诱导成熟。为了移植瀑样免疫活性的动物,他们封装聚合成生物相容性材料,如海藻酸胶囊。这些胶囊预防免疫细胞直接拒绝,但并没有消除免疫反应,检测就证明了这一点- 2。然而,它没有妥协瀑样功能,成熟,和生存,被白蛋白分泌和成熟的肝标记表达式。然而,人们的一个担忧是纤维化,这的确发生在一小部分植入胶囊(44]。

2018年,聂等人调查瀑样是否可以用于治疗小鼠急性肝衰竭(55]。考虑未来的临床应用,该集团开发肝脏瀑样使用三种细胞起源于相同的捐赠者,与其他出版作品,与不同的人类白细胞抗原类型使用不同的捐赠者。移植后,瀑样能够执行从急性肝衰竭肝的功能,促进恢复。虽然非常有前途,进一步努力是必要的评估使用一个捐赠者的细胞衍生为临床治疗肝脏瀑样。

4.5。胰腺瀑样

胰腺瀑样的发展可以代表一个可能的治疗I型糖尿病,破坏胰腺癌的一种自身免疫性疾病β细胞在胰岛素不足的结果。然而,大多数的研究只关注细胞疗法使用β细胞。代腺泡和导管细胞的多能细胞,虽然知之甚少,已成功通过胰腺瀑样的生产(PO),能够表达胰腺癌标记和功能和超微结构类似于胰腺(52]。原位移植这些瀑样表现出移植5周后,新血管形成的移植,导管和腺泡的标记的表达,也验证了使用胰腺瀑样囊性纤维化模型。

最近,Soltanian等人提出了一个战略使用PO提高胰腺祖细胞的成熟(PP) (53]。阿宝是放置在一个3 d打印组织设陷阱捕兽者和heterotopically移植到免疫缺陷小鼠的腹腔,结果表明,与相应的PP移植早期,3 d阿宝开发更多的血管化的更大的面积和数量的容器,包含更多的insulin-positive细胞和显示改善人类的c -肽分泌物。在另一项研究中,Lebreton等人证明了结合分离胰岛细胞(ICs)与人类羊膜上皮细胞(hAECs)成瀑样改进它的血管化,移植和功能在活的有机体内(54]。

4.6。肺瀑样

移植肺瀑样是一个有前途的工具,呼吸道疾病,如哮喘。这些瀑样可以由一个3 d的肺上皮细胞祖细胞(有或没有间充质细胞99年),以及利用成人干细胞和已经被70年]。

从人类第一次尝试移植肺瀑样已经被认为是由染料et al .(2016),为移植测试不同的条件。大部分的移植huMITO⁺NKX2.1⁺不成熟的airway-like结构。最成功的移植,瀑样成熟而言,在微孔polylactide-co-glycolide肺瀑样培养一天(身为)支架,能够灌输在活的有机体内分化成一个类似的气道上皮细胞,产生分泌血统,像成人肺(One hundred.]。

成人支气管上皮细胞、肺内皮细胞和肺成纤维细胞创造了一个人工气道瀑样适合异位移植:一周后肺瀑样移植肾胶囊,Tan et al。(2017)观察到宿主细胞的增殖瀑样的边界和人类内皮细胞的存在。六个星期后瀑样缩小;的血管网络主要是主机起源和在活的有机体内环境刺激的成熟和转向nonproliferating状态(70年]。同样,陈等人能够生成与分支形态发生和proximodistal规范[瀑样69年]。1.5个月后异位移植、肺瀑样显示增长,管状结构,气道上皮细胞的形成。分支结构和上皮细胞5个月后,观察和组织学显示multiciliated细胞和类似的形态在肺分支proximodistal规范。

2019年,韦纳等人开发了一个肺泡2型(at₂)瀑样,并移植到influenza-infected老鼠。移植后13天,分析显示,at₂瀑样提出了良好的移植在活的有机体内和留存at₂的命运。然而,这些瀑样没有提升氧气交换的能力受感染的老鼠接收机有时他们采用一种发育异常的命运在移植(71年]。染料和合作者(2020)研究了肺瀑样生成的效率和物理化学性质在三个不同的支架:身为支架,盯住水凝胶、聚已酸内酯支架。尽管一些支架存在一些优势与他人相比,例如,瀑样开发的挂钩支架不支持成熟超过八周,增加免疫细胞的招募,总而言之,肺瀑样成熟支持多个微孔支架。结论是操纵支架的物理化学性质影响外植体的属性,指导组织形成,并可能被用于建模正常开发或疾病状态(72年]。

肺瀑样移植相关的一些挑战贫穷细胞成熟,分支形态发生,似乎是随机的,和不是很清楚(间质性质和模式69年]。

4.7。大脑瀑样

一个最困难的系统理解的是大脑,因为它是一个高度复杂的器官与许多功能。另外,常规细胞培养系统不捕获器官的复杂性和访问材料是困难的101年]。因此,大脑瀑样的生产是一个有前途的工具来研究和治疗大脑疾病,如神经系统疾病和精神疾病(102年,103年]。

2013年,兰开斯特和合作者(2013)能够得到脑组织在体外通过一个3 d文化系统研究头小畸型。以前,只有神经组织进行研究在体外不同于其他器官,没有研究使用全脑瀑样之前(102年]。

在这项研究中,许多人是为了让大脑瀑样的移植。2018年,曼苏尔等人产生GFP hESC线从人类的ESCs lentivirus-transduced,起源于大脑瀑样经过40 - 50天的文化。只有瀑样通过了质量标准被植入腔retrosplenial皮层的nonobese diabetic-severe联合免疫缺陷(NOD-SCID)老鼠63年,102年,104年]。8个月后移植、细胞分化和逐步成熟的过程,以及人类轴突和主机之间的突触连接大脑和轴突的产物在脑瀑样。研究人员也能够证明瀑样的成功形成血管通过颅玻璃窗,允许跟踪血管。与这些结果,他们可以直接分析环境的影响和对大脑瀑样和验证他们的血管化在活的有机体内生存能力。结论是人类大脑瀑样成功地用鼠标交互和集成,成熟,和神经分化,承诺未来人类大脑疾病治疗(63年]。

2018年,Daviaud等人相比,脑与神经祖细胞(NPC)瀑样,都源自hESC。这些瀑样和npc的frontoparietal皮质移植到产后一天P8-P10老鼠。2和4周后移植,他们表明,大脑比npc瀑样提出了更好的结果,当比较血管化,移植物存活率,神经分化,细胞结构(64年]。

2019年,王等人开发和使用大脑瀑样在卒中后扭转破坏的尝试。参数评估包括大脑瀑样体积、功能恢复,有效性和可行性。瀑样在55天移植大鼠大脑中动脉阻塞,和结果,6 h-24 h后,证明大脑瀑样能够区分和迁移到不同的大脑区域。他们观察脑损伤体积减少,突触重建和神经运动功能恢复,其他神经系统的改进,可能由于细胞生存和血管化,细胞multilineage分化,细胞替代卒中后(65年]。

最近,东等人开发了一个协议的生成小人脑瀑样。移植到老鼠的内侧前额叶皮质后,作者发现瀑样幸存下来的成熟,延长4.5毫米的长度在第一次移植。人类细胞到大脑皮层神经元的分化在活的有机体内和电生理活动影响行为观察几个月posttransplantation。瀑样贪污和主机老鼠大脑交互也观察到,包括突触连接,它们之间可能的功能集成66年]。

尽管许多改进对移植脑瀑样,仍存在一些问题,如(1)相关的伦理问题的大脑嵌合体,不知怎么的,可能是负责宿主动物的“人性化”,质疑大脑发育和功能(105年];(2)有限的神经回路的形成,微环境,免疫系统,和血管循环,缺乏氧气会影响神经发展和移民(63年];和(3)困难的组织交流和大脑的组织形态和结构(31日]。

4.8。心瀑样

探讨心脏瀑样生产仍然是一个区域不佳。3 d文化心脏疾病治疗的一个优点是观察组织动力学和器官生理学的可能性。

2019年,Varzideh等人开发了第一个hiPSC-derived心脏移植瀑样。瀑样形成的24 h后,观察三种不同的细胞类型,心脏祖细胞(CPC), msc,内皮细胞。这些细胞开始自我组建成3 d瀑样72 h后,一个星期后,心脏瀑样提出了均匀跳动,保持瀑样机械稳定移植(67年]。检测心肌细胞(CM)成熟的标记和电生理活动的研究同时进行移植前。协助在活的有机体内移植,一篮子的两件套组合使用3 d打印机,和胶原蛋白类型我是用来包含心脏瀑样,然后转移到篮子里(67年]。内部腹肌上的移植手术的男性裸体小鼠,4周后,瀑样暴露出大量的新血管形成,高度有组织的sarcomeric结构,厘米标记表达式,和电生理活动。这在活的有机体内移植诱导肌原纤维组织结构,增强基因表达和兴奋收缩偶联。年度"特别关注国"互动与间充质细胞发展成CMs和其他特殊细胞,使主心脏器官形成。促进器官发生,因为他们的免疫调节和抗炎作用,msc还包括(67年]。因为从移植小鼠分离从篮子和一只小鸡胚胎转移到完整的淋巴系统开发(67年]。

总之,复杂的瀑样是一个有前途的工具模型心脏病再生医学和药物测试,但进一步的挑战需要克服,因为(1)心脏系统的复杂性和多样性;(2)功能人类心脏瀑样需要至少三个细胞类型:心肌细胞,心脏成纤维细胞,心脏内皮细胞(106年];和(3)改进的细胞成熟,即使iPSC-derived心肌细胞在体外分化,还有胚胎属性(107年]。

5。挑战瀑样移植

目前器官衰竭疾病的治疗策略包括现有的器官移植,细胞疗法,再生医学的概念。瀑样系统已作为一种重要的替代胚胎发育的要旨,营造良好的微环境中复杂和功能结构类似一个器官。在这里,我们回顾了第一个尝试生成不同的瀑样系统,利用动物模型来评估他们的可移植性。

一般而言,临床证据支持积极的移植后移植瀑样的,一旦被发现,这些3 d结构一体化,成熟,血管,和发展具体目标组织生理功能。尽管如此,有重要的科目,必须考虑在他们的应用程序之前器官衰竭疾病(45]。

5.1。瀑样大小

关于瀑样用于移植一个至关重要的问题是他们的体积小。到目前为止,瀑样测量通常10μ米直径1毫米,但有一些试图使他们更大。解决这个问题的一个方法是使用旋转生物反应器,从而促进氧气和养分吸收,使大的大脑瀑样类似人体器官,例如[102年,108年]。另一个选择是结合小瀑样做大一点的,因为它是为epithelia-only肠道瀑样(109年]。

大小是一个主要问题在某些特定的器官,如肾脏瀑样、大瀑样,生产更多的前体细胞,有更多的生存机会和增长比越小(59]。相比之下,瀑样的大尺寸可能是一个问题。人类大脑瀑样似乎支离破碎后两周,也许是因为瀑样大小的差距和主机大脑或由于缺氧64年]。

5.2。细胞成熟

细胞成熟是很重要的,确保瀑样将执行后的修复功能和保证他们的安全和效率在活的有机体内移植。例如,在某些情况下,差异化协议产生细胞比成人更类似于胎儿,这可能不适合组织替代意图(44]。

另一方面看来,器官味蕾由不成熟组织可能是一个更好的策略对移植后再生所示的审查工作:与肾脏器官芽实验(37),与肠道瀑样(38),和心脏瀑样(67年]。这是因为在活的有机体内环境提供了来自多个源的生物化学和物理信号,以及形成血管和神经支配网络很难完全复制在体外。此外,transcriptome-wide比较肠道瀑样培养在体外核供应国集团或移植到老鼠显示在活的有机体内移植改善细胞分化和瀑样像成熟的成人肠组织,在体外瀑样更类似于胎儿组织(48]。

另一个方面影响细胞成熟的微环境瀑样培养。例如,Garreta等人表明,肾脏瀑样在柔软的环境中,水凝胶或凸轮等,增强其形成和增长(61年]。在Volkner等的研究中,作者提到几个流程,如祖细胞增殖和细胞分化,是瀑样变异的潜在来源(110年]。

5.3。动物模型

几个临床试验需要证实的真正潜力瀑样作为医疗设备更换或改善器官功能。然而,这些在活的有机体内测试包括在应用程序翻译为人类的许多问题和困难。例如,根据Avansino et al .,有独特的啮齿动物模型和物种之间的巨大差异,这使得它很难建立一个理想的动物模型(46]。需要转化的研究来实现成功的临床应用,和重要的是数大动物模型更好的繁殖人类的条件(51]。

此外,大多数这些研究仍然依赖于免疫缺陷模型,因为一般来说,瀑样源于人类细胞,这可能会引入一个重要实验变异,因为老鼠的免疫系统很可能会排斥移植瀑样。文章回顾了在这里使用了一个只有一个动物和封装的瀑样免疫活性的海藻酸这部分避免免疫系统细胞攻击(44]。然而,这种方法仍然是一个异种器官移植和同种异体移植不能模拟临床场景。

一个策略来克服这种限制是使用人性化的动物模型,那些已经被开发的其他地方(111年]。同时,使用更大的动物模型是很重要的,如猪、瀑样移植,以更好地了解可能的结果(45]。

5.4。网站的移植

移植的网站必须认真选择。胎儿肠瀑样没有生存下移植肾胶囊,表明原位移植可能更合适One hundred.]。同时,移植后肺瀑样没有生存到肾胶囊(68年]。

另一方面,肾胶囊通常是选择,因为它是一个孤立的位置,具有一定程度的免疫特权,良好的可访问性,移植主机(一般是可以接受的51]。然而,科尔特斯和合作者所讨论的,一些限制有关肠道瀑样移植的肾胶囊让他们密切相关网站搜索肠道移植,在这种情况下,肠系膜(51]。

在两个工作有关肾脏和心脏瀑样,移植不同于通常的网站,肾胶囊(61年,67年]。他们用小鸡凸轮,它展示了高度血管化,以及自然免疫缺陷和容易监测微环境(61年]。

进一步改变了促进瀑样移植和恢复。例如,在心脏瀑样,他们使用了一个3 d印刷篮子(64年),胰腺瀑样、组织设陷阱捕兽者使用(53]。

5.5。形成血管和神经支配

瀑样血管化是一个重要的问题,因为缺乏血管网络限制瀑样生长因子交换,减少养分分布(31日,93年]。使用内皮细胞作为瀑样组件是一个合适的策略。HUVECs存在于肝脏芽瀑样能够嫁接,形成血管(112年]。然而,大多数新创形成血管移植后发生成瀑样来自宿主细胞。

一个选择调查形成血管移植瀑样到凸轮。这两项研究使用凸轮产生积极的结果,因为免疫荧光分析和荧光isothiocyanate-dextran证实小鸡的存在血管和血液循环61年,67年]。

没有研究的一个重要方面的工作提出了神经支配,这对器官功能的适当的控制至关重要。

5.6。移植后随访

瀑样移植技术的一个重要问题是跟踪瀑样在活的有机体内评估他们的行为,移植、血管化和功能。通过慢病毒载体感染iPSC-expressing荧光生物传感器的发展,例如,使主机内的可视化和瀑样的研究,建立一个高效、信息跟踪系统使用组织发起人(50]。

瀑样移植安全的另一个重要方面是确保没有形成肿瘤,由于致瘤性是一个临床障碍PSC-based疗法(113年]。在某些情况下,纤维化的形成是一个问题,特别是在那些使用的协议封装瀑样使用生物相容性材料(44]。

尽管所有这些挑战,瀑样移植代表一个日益增长的承诺为再生医学应用程序系统。肠道瀑样的first-in-human审判是由东京计划进行医疗和牙科大学(TMDU)对炎症性肠病治疗。除此之外,定向团队领导研究成体干细胞治疗短肠综合征(SBS)。同时,诊断工具已由一组称为Hubrecht瀑样技术(中心)。这些工具的目的是将特定的遗传和表型信息。中心在横滨市立大学(YCU)投资于儿童代谢性肝病的治疗。辛辛那提儿童医院医学中心,干细胞和瀑样医学中心(自定义)创建,包含各种协作关注瀑样研究[45]。

6。最后的评论和结论

瀑样疾病建模是有前途的工具,药物筛选和个性化医疗。最终瀑样技术应用是用于器官再生和替代疗法,减少整个器官移植需求和改善病人的生活质量。瀑样的治疗用途将是另一个具有挑战性的移植器官的短的生存能力在身体之外,如心脏和肺。特别是,瀑样应该高度影响再生治疗技术nontransplantable的器官,如大脑。编辑多能干细胞的最新发展有针对性的HLA基因中断CRISPR / ca技术也应该促进immunocompatible健康的一代瀑样用于广泛的治疗目的。

与典型的细胞培养相比,瀑样更好的重现真正的性器官的结构复杂性,重建组织原生结构,形态,和几个生物相互作用发生在活的有机体内。尽管还处于起步阶段,瀑样肠移植,视网膜,肾脏,肝脏,大脑、心脏、胰腺、肺似乎是可行的和安全的,基于临床证据显示移植和伟大的生物相容性。移植后,研究表明,瀑样生成分化和功能细胞,能够与其他宿主细胞相互作用。综上所述,这些初步研究的好的结果鼓励探索瀑样用于再生医学目的。然而,相对瀑样贪污不成熟与宿主天然器官相比,不完整的功能组织整合,以及可能发生的异形的细胞相互作用的一些剩余挑战克服临床应用之前。

的利益冲突

作者声明没有任何的利益冲突。

作者的贡献

加布里埃尔Shih萍夏朝,乔伊斯·埃斯波西托Leticia阿尔维斯•罗查,索非亚Ligia吉马良斯拉莫斯的贡献同样这项工作。

确认

这项工作是支持的巴西资助机构Fundacao德帕罗尽管Estado de圣保罗(FAPESP 2013/08028-1必须占州政府;2014/50931-3),慰问Nacional de Desenvolvimento Cientifico e学府(CNPq 307611/2018-3),和Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de含量比(披肩)。

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