独领风骚!这位大佬2个月发表1篇Nature和2篇Nature Materials
小奇 2020-11-18

类器官是通过“自组织”过程形成的,在这个过程中,最初同质的干细胞群体自发地打破对称性,进行体内模式形成和形态发生,尽管控制这一过程的过程尚不清楚。虽然现有的类器官超过了现有组织工程技术所获得的微观和功能复杂性,但它们在形状和大小上都是非生理的,功能和寿命有限。


使用先进的生物工程策略来指导基于干细胞的开发,以组装下一代具有更高重现性和生理相关性的类器官。除了有助于更好地理解多细胞自组织的关键原理外,这项研究为药物发现和再生医学开辟了令人兴奋的前景。


奇物论编辑部从最新的Nature Materials论文了解到,瑞士洛桑理工学院Matthias P. Lutolf教授课题组在类器官领域可谓是独领风骚,单纯从今年的成果来看,该课题组就发表了1篇Nature 和2篇Nature Materials



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                                                                                                                                                                       图自EPFL官网


该课题组主要是通过利用生物工程的方式,例如水凝胶支架,来进行干细胞的自组织,从而开发类器官,以进行基础科学研究和临床药物筛选等应用。


首先,咱们先来看看今天发表在Nature Materials上的综述。


1. Nature Materials:基于干细胞的胚胎模型用于基础研究和转化


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尽管人类发育的早期阶段很重要,但人类样本的可获得性限制了对其的理解。干细胞衍生胚胎模型是一个新的领域,旨在利用干细胞构建体外模型,再现哺乳动物概念的发展过程,为促进对人类发展的基本理解和促进生殖和再生医学的发展提供了令人兴奋的机会。


于此,瑞士洛桑理工学院Matthias P. Lutolf、莱斯大学Aryeh Warmflash和密歇根大学Jianping Fu综述了哺乳动物早期发育的最新知识,以小鼠和人类的概念为模型,强调了它们的相似性和关键性差异。


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图|小鼠和人类从着床前到原肠胚形成的发展概况


然后重点介绍现有的胚胎模型,这些模型模拟了老鼠和人类发育的不同方面。并进一步讨论用于控制多细胞相互作用和自组织的生物工程工具,这些工具对这些模型的发展至关重要。最后,他们讨论了干细胞衍生的胚胎模型的重要后续步骤和令人兴奋的未来机会,以进行基础学科的发现和转化。



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图|促进胚胎发育中多细胞相互作用和自组织的生物工程工具


Fu, J., Warmflash, A. & Lutolf, M.P. Stem-cell-based embryo models for fundamental research and translation. Nat. Mater. (2020).

https://doi.org/10.1038/s41563-020-00829-9


在上一周,Matthias P. Lutolf等研究人员就在Cell Stem Cell发表了一篇关于类原肠胚中实现心脏的发生。


2. Cell Stem Cell:在类原肠胚中实现心脏的发生

该研究揭示了小鼠胚胎干细胞(mESC)通过多种组织的协调发育来执行器官发生的惊人潜力。这个平台可能是研究心脏发育的绝佳工具,它具有前所未有的细节和通量。


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Giuliana Rossi, et al. Capturing Cardiogenesis in Gastruloids. Cell Stem Cell, 2020.

DOI:10.1016/j.stem.2020.10.013

https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(20)30507-5


同样,在今年9月份,该课题组一周内就连发了Nature Materials和Nature的研究论文


(详情可点击查看:一周连发Nature和Nature Materials,这个课题组了解一下!


3. Nature Materials:通过类器官生物打印宏观组织的自组织


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瑞士洛桑联邦理工学院Matthias P. Lutolf等人介绍了一个三维(3D)生物打印概念,用于指导在更多生理相关的尺度上并直接在高度许可的细胞外基质(ECM)中引导组织形态发生,从而促进有效的多细胞自组织。该方法被称为生物打印辅助组织出现(BATE),它使用干细胞和类器官作为自发自组织的构建块,这些构建块可以在空间上排列以形成相互连接和进化的细胞结构。


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Brassard,J.A., et al. Recapitulating macro-scale tissue self-organization throughorganoid bioprinting. Nat. Mater. (2020).

https://doi.org/10.1038/s41563-020-00803-5


4. Nature:支架引导的类器官形态发生,实现迷你小肠的构建


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通过利用组织工程和细胞固有的自组织特性,瑞士洛桑联邦理工学院Matthias P. Lutolf等人诱导肠干细胞形成管状上皮,该管状上皮具有进入的内腔、以及与体内类似的隐窝和绒毛状结构域空间排列。

 

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管状微型肠道长期稳态培养的构建

Nikolaev, M., et al. Homeostatic mini-intestines through scaffold-guided organoid morphogenesis. Nature (2020).

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2724-8


在7月份,该课题组在Nature Communications上发表了关于肝类器官的研究


5. Nature Communications:机械调节合成水凝胶,用于肝类器官的衍生


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最近的研究表明,由于类器官的存在,肝脏的原代细胞可以在体外扩增,这为再生医学和疾病建模提供了广阔的前景。但是,基于不确定的和可能具有免疫原性的基质的三维(3D)培养的使用会阻碍肝类器官技术向现实应用的转化。瑞士洛桑联邦理工学院Matthias P. Lutolf等人使用化学定义的水凝胶有效地衍生小鼠和人类肝类器官,为建立基于肝类器官的再生医学方案开辟了令人振奋的前景。


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Sorrentino, G., et al. Mechano-modulatory synthetic niches for liver organoid derivation. Nat Commun 11, 3416 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41467-020-17161-0


在6月份,该课题组研发出一款自动化类器官培养的微阵列,可实现类器官培养的可重复性。


6. Nature Biomedical Engineering: 通过微腔阵列中的干细胞聚集进行高通量自动化类器官培养


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瑞士洛桑联邦理工学院Matthias P. Lutolf等人报告微工程细胞培养设备的制造以及悬浮培养的实时和可扩展的自动化方法,以及对聚合物水凝胶基质内微腔阵列中捕获的数千种胃肠道类器官的实时分析。使用这些设备来筛选具有患者源性结直肠癌类器官的抗癌候选药物,并应用基于图像的高含量表型分析来揭示对药物作用机制的见解。可扩展的类器官培养技术应有助于在药物开发和诊断中使用类器官。


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Brandenberg, N., et al. High-throughput automated organoid culture via stem-cell aggregation in microcavity arrays. Nat Biomed Eng 4, 863–874 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41551-020-0565-2


简介:

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Matthias P. Lutolf洛桑联邦理工学院生物工程系教授,其主要研究方向是生物工程,干细胞,生物材料,组织工程,微流控,单细胞分析,高通量筛选。在Nature,Nature Materials, Nature Methods, Cell Stem Cell,PNAS等期刊发表100多篇研究论文。

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