類器官培養指南
—— 一篇全面的文章，以加深你對類器官的理解
類器官導論
類器官是在體外培養的三維細胞培養物，通過三維培養技術模仿體內正常（或病變）器官或組織的三維結構和生理功能。簡而言之，類器官是一種三維細胞培養，其中干細胞在基質凝膠中培養，并在化學抑制劑/激活劑、細胞因子、培養添加劑等物質的影響下，發展成類似于相應器官的組織結構。
類器官特點
類器官具有自我更新的能力，并且能夠維持來源組織的生理結構和功能，因此它們被譽為“培養皿中的微型器官”。利用干細胞的自我更新、分化和自我組織能力，類器官可以被冷凍保存，用作生物樣本庫，并且可以無限擴展。與二維細胞培養相比，類器官結構高度復雜，更接近于體內狀態。
Figure 1 Organoid Culture of Human Colon Adenocarcinoma Cells
類器官應用
類器官在分子和細胞生物學分析中提供了多種優勢，彌合了動物和細胞水平之間的差距，并為腫瘤研究、藥物篩選和再生醫學等領域的研究提供了更好的解決方案。它們已廣泛應用于功能組織誘導、疾病模型建立、藥物篩選、抗炎測試和臨床研究等多個研究領域，顯示出在基礎研究和轉化應用中的巨大潛力。
隨著類器官培養系統和實驗技術的不斷發展，類器官已被用于培養各種組織和器官，包括腸（小腸/結腸）、胃、肝臟、心臟、肺、前列腺、胰腺、腎臟、乳腺、類腦結構、視網膜和內耳。
從腫瘤干細胞衍生的類器官也開始在理解腫瘤發生和發展的機制、篩選藥物敏感性以及促進精準醫療和個性化診斷治療方面展現出巨大的潛力。發表在《細胞》和《科學》雜志上的幾項研究表明，類器官在預測抗癌藥物的有效性方面表現出高靈敏度和特異性。最近，腫瘤類器官在預測患者對抗癌藥物的反應和幫助制定個性化治療方案方面顯示出希望。
1、發育機制研究：可以利用類器官的分化能力來研究胚胎發育過程及其機制。通過Wnt和BMP等信號通路調節的誘導過程可以用來研究類腦結構、胰腺和胃等器官的發育。
2、疾病損傷模型建立：通過類器官誘導的特定組織或器官可以用來研究特定疾病模型。趙冰和林新華團隊使用人類來源的類器官感染模型來研究SARS-CoV-2感染和肝損傷的分子機制，為SARS-CoV-2的致病機制研究和隨后的藥物開發提供了重要的工具。
北京大學生命科學學院鄧紅飚領導的研究小組使用小分子和細胞因子刺激構建了一種具有損傷再生特性的新型腸道類器官——超級類器官。這種類器官具有長期傳代和擴增的特點，同時保持基因組，促進結腸組織修復，并在急性結腸炎動物模型中減輕病理癥狀。
3、再生醫學：干細胞衍生的類器官可以修復或替換受損或病變的組織，以恢復正常組織功能，在各種神經退行性疾病、糖尿病、心血管疾病、視網膜疾病和脊髓損傷的細胞治療中有著廣泛的應用。
作為再生醫學領域的新治療方式——DA01，使用小分子SB-431542、LDN193189、CHIR-99021和Y-27632，以及Sonic Hedgehog（Shh）蛋白，刺激多能干細胞分化為多巴胺能神經元，并將它們移植到晚期帕金森病患者大腦的受損區域，為這種疾病的治療提供了新的方向和思路。
4、藥物毒性和療效測試：類器官可以用來驗證新藥在特定器官或組織中的藥理毒性，為藥物開發提供數據支持。
Hyman腎臟類器官可以用來驗證順鉑的腎毒性。
5、藥物篩選：來自干細胞的類器官可以用于體外藥物反應測試，為藥物篩選提供理論支持。
結腸類器官可以用來研究CFTR突變患者的藥物治療策略，腫瘤類器官可以用來評估患者的個性化藥物治療。
類器官的發育過程
類器官的來源
正常的類器官主要來源于干細胞，包括多能干細胞（PSCs）和成體干細胞（ASCs）。多能干細胞包括胚胎干細胞（ESCs）和誘導多能干細胞（iPSCs）。與多能干細胞相比，成體干細胞的優勢在于它們的建模過程更簡單、更快速，但缺點是它們構建的類器官結構相對簡單。由多能干細胞構建的類器官結構更為復雜。
類器官培養
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Organoid Culture |
Required Small Molecule Compounds |
Required Growth Factors |
Culture Media and Additives |
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Small Intestine |
Y-27632、SB-202190、A 83-01、Gastrin、Nicotinamide |
EGF、Noggin、R-Spondin 1、Wnt-3a |
HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin、N-2 |
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Y-27632、SB-202190、A 83-01、Gastrin I、Nicotinamide |
FGF-10、EGF、Noggin、R-Spondin 1、Wnt-3a |
HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin、N-2 |
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Liver |
Y-27632、A 83-01、DAPT、Forskolin、Gastrin、Nicotinamide、Prostaglandin E2 |
BMP-4、EGF、FGF-basic 、FGF-10、HGF、Noggin、Wnt-3a |
N-2、HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin |
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CHIR-99021、Retinoic Acid |
BMP-2、BMP-4、BMP-7、FGF-basic、FGF-9 |
HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin |
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CHIR-99021、SB-431542 |
Activin A、FGF-basic、FGF-4、Noggin |
HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin |
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Gastrin I、A 83-01、Nicotinamide |
FGF-10、EGF、Noggin、R-Spondin 1、Wnt-3a |
HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin |
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Y-27632、SB-202190、A 83-01、Nicotinamide、Prostaglandin E2、Testosterone |
EGF、Activin A、FGF-basic、FGF-10、Noggin、R-Spondin 1、Wnt-10b |
HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin |
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Y-27632 |
Here gulin β-1、R-Spondin 1、R-Spondin 2、Noggin、EGF、 FGF-basic、FGF-10、Wnt-3a、Prolactin |
HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin |
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CHIR-99021、Y-27632 |
SHH、Wnt-3a |
HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin |
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Inner Ear |
SB-431542、A 83-01 |
BMP-4、 FGF-basic |
HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin |
類器官培養中常用的小分子總結：非常實用，記得收藏！
1、Y-27632：Rock的強效抑制劑，靶向p160ROCK和ROCK-II。在初始培養基中使用，因其增強細胞活性和克隆效率的作用。
推薦工作濃度：10 μM
2、SB-202190：p38 MAPK激酶的有效抑制劑，誘導人類胚胎干細胞分化為心肌細胞，促進神經干細胞自我更新。
推薦溶解濃度：10 mg溶于3.018 mL的DMSO中以達到10 mM，儲存于-20°C。
推薦工作濃度：10 μM
3、CHIR-99021：GSK-3抑制劑，誘導人類胚胎干細胞分化為內胚層。用于腎臟和視網膜類器官培養。
推薦溶解濃度：5 mg溶于3.58 mL的DMSO中以達到3 mM，儲存于-20°C。
推薦工作濃度：3 μM
4、A 83-01：Activin/NODAL/TGF-β途徑的抑制劑，促進體外細胞自我更新。用于肝臟、前列腺和乳腺類器官培養。
推薦溶解濃度：5 mg溶于5.93 mL的DMSO中以達到2 mM，儲存于-20°C。（注意：該產品在溶液中不穩定，應新鮮配制。）
推薦工作濃度：2 μM
5、胃泌素I：用于延長腸道和肝臟類器官培養中類器官的存活時間。
推薦溶解濃度：1 mg溶于2.38 mL的1%氨溶液中以達到0.2 mM，儲存于-20°C。
推薦工作濃度：10 nM
6、煙酰胺：參與多種酶促反應的B3維生素，促進類器官培養中細胞的分化。
推薦溶解濃度：100 mg溶于8.19 mL的H2O（或DMSO）中以達到100 mM，儲存于-20°C。
推薦工作濃度：10 mM
7、福斯科林：激活腺苷酸環化酶，提高細胞內cAMP水平，誘導多種細胞類型的分化。
推薦工作濃度：1-10 μM
8、前列腺素E2：調節細胞增殖和分化，特別是在肝臟和前列腺類器官培養中。
推薦溶解濃度：1 mg溶于0.28 mL的DMSO中以達到10 mM，儲存于-20°C。
推薦工作濃度：500 nM
9、N-乙酰-L-半胱氨酸：具有抗凋亡特性的抗氧化劑前體，大多數類器官培養必需。
推薦溶解濃度：2 g溶于24.51 mL的H2O（或DMSO）中以達到500 mM，儲存于-20°C。
推薦工作濃度：1 mM
產品推薦
細胞因子
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Product Name |
Catalog Number |
Specifications |
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Recombinant Human/Mouse/Rat Activin A Protein |
C230520 |
10 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human/Mouse/Rat Activin A Protein |
C230308 |
10 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human Dickkopf-related protein-1,His (Human DKK-1,His ) |
C230321 |
20 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human EGF Protein，His Tag |
C230329 |
100 μg/500 μg |
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Recombinant Human bFGF/FGF-2 Protein |
C230295 |
10 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human FGF-4 Protein |
C230346 |
5 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human FGF-9 Protein, His tag |
C230347 |
5 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human FGF-10 Protein, His Tag |
C230418 |
5 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human GDNF Protein |
C230355 |
10 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human Noggin Protein,His Tag |
C230462 |
5 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human NRG1-beta1 Protein |
C230454 |
10 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human R-Spondin-1 Protein,His (Human RSPO1,His ) |
C230484 |
100 μg/1 mg |
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Recombinant Human Sonic Hedgehog N-Terminus (Human SHH) |
C230493 |
5 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human BAFF Protein, His tag |
C230294 |
5 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human sCD40 Ligand Protein, His tag |
C230487 |
10 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human BMP-4 Protein |
C230310 |
10 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human Hepatocyte Growth Factor (Human HGF) |
C230260 |
5 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human BDNF Protein, Flag tag |
C230262 |
5 μg/20 μg/100 μg |