微型器官:由幹細胞組成之3D類器官與器官晶片

文章發表:2019/01/30

黃浥暐

壹、新訊快遞*

傳統的幹細胞培養僅能在培養皿中形成平面的細胞層,如今在適當操作下可將幹細胞培養成具3D結構的精緻組織。結合生醫科技與工程技術,「類器官」(organoids)與「器官晶片」(organs-on-chips, OOC)使用幹細胞製造出模擬人體器官的微型版本,不僅能研究人體器官發育過程、生理變化與疾病發展,可用於藥物研發、藥物療效與安全性的評估,以及測試化學品和化妝品的功效和安全性,並且為再生醫學與實現個人化醫療帶來新希望,未來應用無限寬廣。

貳、評析

類器官與器官晶片

類器官」(organoids)與「器官晶片」(organs-on-chips, 簡稱OOC),都是以幹細胞培育出類似人體器官的立體組織結構,以模擬人體器官的功能,可視為縮小版的微型器官。用來製造類器官和器官晶片的多能性幹細胞(pluripotent stem cell),包括天然存在的胚胎幹細胞(Embryo stem cell, ES),和經人工操作使已分化之纖維母細胞(fibroblasts)恢復其多能性之「誘導多能性幹細胞」(iPS cell;induced pluripotent stem cell)。多能性幹細胞可形成任何類型的組織—無論是肌肉,皮膚,腸道還是大腦。當它們在適當的條件下生長時,例如使用特定的生長因子,幹細胞將會自我組織其結構,且它們將不同類型細胞排列起來的模式與體內組織十分相似,此即為「類器官」。相較之下,「器官晶片」通常將幹細胞分化為所需的細胞類型後,再根據實驗所需的位置與結構分別置入微型裝置之中。簡言之,類器官和器官晶片之間的主要差異是前者為「自我組織」、後者為「人為建構」。

類器官和器官晶片皆可用於藥物的研發、化妝品的功效和安全性測試、化學產品的毒理測試,以及幫助達成個人化醫療。舉例而言,藥物隨機臨床試驗的一個挑戰是如何比較治療的效果,因為參與者的基因和生活史可以影響他們對藥物的反應。而來自同一患者細胞的類器官或器官晶片,可以創建具有相同基因和臨床病史的實驗和對照組,因此能夠消除這些混雜效應。除此之外,類器官與器官晶片各具有不同的應用優勢與挑戰,以下將分別敘述。

自我組織而成的「類器官」

類器官在2017年被知名期刊《自然-方法》(Nature Methods)命名為「年度最佳方法」1,越來越被頻繁使用於研究正常發育和疾病進展。

一、發育與腫瘤發展

從單一細胞自我發展為立體組織的類器官,最適合用模擬人體器官的發育過程。比如英國劍橋大學一研究團隊使用胚胎幹細胞來製作大腦類器官,從中研究基本的大腦發育過程,並企圖找出導致自閉症和精神分裂症等複雜疾病的因素2。同樣的概念,也可用來研究細胞發展為腫瘤的過程,日本慶應大學的研究團隊使用CRISPR基因編輯技術改變幹細胞中DNA的序列,然後觀察突變的細胞如何發育、組織為類器官,以研究腫瘤形成的早期階段3;這是一種了解因果關係的方法,可測試特定突變是否概括了癌症的發展。

二、遺傳疾病與個人化醫療

用於研究遺傳性疾病或用於個人化醫療的類器官,通常由成人幹細胞或iPS細胞製成,並經過適當操作以對應特定患者。舉例來說,常造成患者呼吸道黏液過多而致命的囊性纖維化症(cystic fibrosis),可由單個基因CFTR中的多種突變引起,目前已有有效的治療藥物Kalydeco,但價錢非常昂貴(一年花費可達數十萬美元),並且僅在具有特定突變的患者中起作用,亦即,許多患者具備的突變類型很可能不適用Kalydeco。荷蘭一研究團隊聚集了數百名這樣的患者,以他們的腸道幹細胞培養「腸道類器官」來預測患者對藥物的反應,以找出可獲得有效治療的對象,避免患者進行不必要且昂貴的治療4。另一種運用,是利用患者本身的幹細胞培養腸道類器官,用於修復潰瘍性結腸炎(Ulcerative Colitis)造成的腸道損傷,相關研究正在進行中。

三、類器官生物庫與藥物開發

從各種癌症病患中擷取細胞培養而成的類器官,在經過基因分析及藥物測試後,可建立類器官生物庫。比如荷蘭的研究機構Hubrecht Organoid Technology建立的類器官生物庫,提供數百種來自成體幹細胞的不同類器官,每片2,000-3,000歐元(1,700-2,600美元)。若想找出特定癌症的新療法,可從類器官生物庫中取得各種基因型的癌症類器官,並以多種抗癌化合物及組合加以測試。類器官中的抗藥性模式與已知的細胞抗藥性突變相對應,顯示類器官可用於預測人對特定藥物的反應5

精密建構而成的「器官晶片」

有時被稱為「微生理系統」(microphysiological systems)或「組織晶片」(tissue chips),OOC基於稱為「微流體晶片」的結構化微型裝置,細胞可以在其培養基中維持。與從幹細胞自行發育的類器官不同,OOC是經過設計產生的。晶片的結構以及細胞的類型和位置決定了出現的組織及其排列,這意味著它們通常比有機體更加一致。器官晶片比類器官更加複雜精密,因為開發人員可以添加工程元素,如傳感器或脈管系統,以促進流體和氣體交換,以及促進成像的功能,這些功能不會在類器官中自發產生。一些器官晶片可透過商業管道購得,開發器官晶片的生物工程師也可以直接向業者或校園商店訂購他們的起始晶片,加速研發過程。

一、模擬人體動態

器官晶片可以被設計成具有類器官通常無法匹配的複雜程度,它們可以模擬生理特性,例如組織拉伸,脈動和蠕動。具 「肺毛細血管 - 肺泡界面」的「肺部晶片」於2010年發表6,該晶片具有由膜隔開的通道,膜在一側具有肺泡細胞、而在另一側具有血管細胞,並可通過向側腔室施加和釋放真空壓來模擬呼吸。這樣的機械微環境對於獲得體內(in vivo)等級的功能至關重要,比如研究香菸煙霧對肺部的影響,研究人員可以比較來自同一人肺部組織在暴露/未暴露於煙霧之下的基因表現。

除了會呼吸的肺部晶片,可利用電刺激模仿心臟收縮、舒張的「心臟晶片」,以及會蠕動的「腸道晶片」皆已開發完成。

二、多器官晶片系統

器官晶片也可以連接在一起,創建多器官晶片模型。麻省理工學院的生物工程團隊已經建立了一個十臟器系統7,其中物質可以從一個器官流到另一個器官,就像在人體內一樣。一些器官,如「大腦」,起源於iPS細胞;其他包括「肝臟」,則由分化細胞組成。這些相連的組織存活長達四周,並且表現了生物功能,例如,引入腸組織的藥物成功傳遞到肝臟,並在肝臟中代謝。此類的多器官晶片系統需耗費大量的成本、努力和多領域協調,不僅需要生物工程師和機械工程師,還需要模型師來詮釋這些晶片數據應如何應用於人類。因此在實務上,科學家通常只使用兩到四個相關晶片。多器官晶片的挑戰之一,是找到適合所有組織類型的培養基和環境 ,比如支持肝細胞的培養基並不總是適合肺細胞。實現準確的模型還需要調整細胞的數量和各種晶片間的活動,以便它們準確地表現這些器官在真實尺寸人體中的運作方式。

器官晶片的開發人員現在正著眼於向行業和監管機構展示該技術的價值和有效性。為了擴大其使用,需要容易製造的生產模式和高通量的應用。但整體來說,器官晶片正變得更加易於使用,幾乎到了即插即用的地步。隨著成本的降低和可重複性的提高,器官晶片可能會開始用來代替動物實驗,作為模擬人類生理的替代品。

下一步:兩大領域的整合

無論是類器官或是器官晶片都各有擁護者,但它們之間並非壁壘分明。在未來,或許會有更多研究結合並同時充分利用兩個領域。比如所謂的「協同工程」(synergistic engineering):利用創造類器官過程中有關自我組織和發育因素的知識,來改良器官晶片,即將器官晶片的受控結構、內置讀數與機械性能與類器官對組織和器官特徵的保真度相結合。 許多科學家正致力於將類器官和器官晶片的研究人員聚集在一起,舉辦研討會、分享想法。在兩種技術的截長補短之下,未來的人造微模型系統可望能越來越趨近真實人體系統。

參、延伸閱讀

  1. 黃浥暐,藥物研發新契機──可模擬人體動態環境的器官晶片,月旦醫事法研究(三),2018年7月,21-24頁

註釋

  • C. Y. Tachibana. " Stem-cell culture moves to the third dimension ". Nature 558, 329-331 (2018) doi: 10.1038/d41586-018-05380-x,https://www.nature.com/articles/d41586-018-05380-x?utm_source=fbk_nnc&utm_medium=social&utm_campaign=naturenews&sf191502440=1 (Last visited: Dec. 27, 2018) 返回內文
  1. Method of the Year 2017: Organoids Nature Methods volume 15, page 1 (2018). Published 03 January 2018. DOI: https://doi.org/10.1038/nmeth.4575 返回內文
  2. Madeline A. Lancaster et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature volume 501, pages 373–379 (19 September 2013) 返回內文
  3. Matano M et al. Modeling colorectal cancer using CRISPR-Cas9-mediated engineering of human intestinal organoids. Nat Med. 2015 Mar;21(3):256-62. doi: 10.1038/nm.3802 返回內文
  4. Angela Saini. Cystic Fibrosis Patients Benefit from Mini Guts. Cell Stem Cell, VOLUME 19, ISSUE 4, P425-427, OCTOBER 06, 2016. DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2016.09.001 返回內文
  5. Hubrecht Organoid Technology網站:http://hub4organoids.eu/living-biobanks/(Last visited: 01/11/2019) 返回內文
  6. Huh, D. et al. Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip. Science 328, 1662–1668 (2010). DOI: 10.1126/science.1188302 返回內文
  7. Edington, C. D. et al. Interconnected Microphysiological Systems for Quantitative Biology and Pharmacology Studies. Sci. Rep. 8, 4530 (2018). 返回內文

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