BioArt 2023-01-28 09:21
有機體的發育由祖細胞的內在遺傳程序以及複雜的時空環境決定的。將祖細胞離體培養成類器官為探索機體發育提供了一個很好的工具。目前類器官的培養主要使用可溶性因子或者生物材料來調控發育環境。合成生物學的發展為類器官培養提供了更多的工具，實現了從基因層面操縱細胞，改進類器官培養，增強組織的再生能力。
近日，美國加州大學舊金山分校的Wendell A. Lim 和 Ophir D. Klein合作在Cell Stem Cell上發表題為Harnessing synthetic biology to engineer organoids and tissues 的觀點性文章。回顧了新興合成生物學工具應用於類器官培養的現狀以及前景分析。
體外重建發育過程
在過去幾年中，發育生物學的一大進步是類器官的系統使用。類器官是由一種或多種類型的祖細胞及其後代組成的3D結構。它們具有自我組織的能力，這些結構具有其代表的組織和器官的內在特性。類器官可以應用於探索和模仿不同的發育系統，擴展對細胞分化的理解。它還提供了一種很有應用價值的臨床建模工具。類器官可以從成年哺乳動物或分化產生多能幹細胞培養而來。大多數類器官培養的核心是一系列形態發生刺激步驟。但是向培養基中添加形態發生因子並不能反映內體呈現出的複雜空間幾何結構。由此產生的類器官可能缺乏組織或器官的複雜的不對稱結構。解決這些限制的一個方法是使用工程材料和設備，為類器官培養提供體內存在的機械和空間環境條件。儘管過去幾年取得了一些進展，但是類器官仍缺乏對應體內的複雜結構。而且生成類器官也很昂貴，消耗資源，需投入大量時間。因此該領域的一個關鍵挑戰仍然是提高培養的精確度和效率。
為了應對這些問題，作者認為可以利用合成生物學來應對這些挑戰。作者首先定義了合成生物學如何應用於發育生物學。作者又回顧了新興的合成生物學工具，以及如何應用這些工具到類器官培養系統。
將新興的合成生物學工具應用於類器官培養
合成生物學的新興領域對於發育生物學有很大貢獻，尤其是通過類器官重塑器官和組織的體外發育。作者將合成生物學定義為使用細胞工程有目的地重新設計細胞的行為和功能。在體外開發過程中，合成生物學可以提供獨特工具來重建空間和動態信號，調控細胞間通訊。具體到合成生物學工具，作者主要回顧了五類：光遺傳/化學遺傳學工具、近分泌（短程）細胞間通訊、遠程細胞通訊、細胞粘附分子和細胞命運開關。
光遺傳學工具
目前已經有多種光遺傳學的方法來調控細胞及其活動，這些方法也已經應用到多種研究中。光照能夠達到很高的時間和空間上的精度，因此光遺傳學方法比傳統的藥理學方法具有多種優勢。將光誘導蛋白融合到形態發生因子受體的細胞質區域，合成光誘導嵌合受體。這些結構域在光刺激下寡聚化，從而誘導受體激活。在哺乳動物細胞內，已經開發出光遺傳嵌合受體用來誘導多種形態發生因子信號通路，包括Wnt/b-catenin, Wnt/Frizzled7, TGFb, BMP, Nodal, FGF 和 Erk信號。
通過短程（近分泌）信號調節細胞通信
在發育過程中，細胞間相互交流決定分化和形態發生，因此調控細胞間短程信號交流很重要。作者重點關注了基於Notch合成的系統（synNotch），synNotch是調控細胞間相互作用的強大工具。synNotch由一個細胞外抗原識別結構域（通常是scFv或納米抗體），還包含一個蛋白水解切割位點的Notch核心跨膜結構域和一個轉錄因子組成。當synNotch識別靶抗原時，系統會釋放轉錄因子誘導轉錄效應。
通過遠程（可擴散信號）調節細胞通信
可擴散的形態發生因子是發育生物學的核心組成。越來越多的合成受體可以識別可溶性因子並激活特定的基因調控程序，靈活的連接輸入和輸出。合成受體包括TANGO、CHA-CHA、MESA、GEMS。儘管目前這些合成受體在發育環境中的應用還有所限制，但至少它們可以傳輸局部環境的相關空間信息，用於構建可操控的多細胞系統。
工程化細胞粘附和多細胞結構
工程化的細胞粘附已經被用於提高胚狀體的自組織效率。在模型中，細胞進行自我組織時，產生官腔結構，並形成中胚層和內胚層，類似於體內胚胎。但是組裝效率有限，只有約15%的結構可以形成正確的構造。使用工程化細胞粘附可以創建多細胞結構，並誘導類器官中的結構重排。
工程化調控細胞命運
在控制細胞數量和細胞類型比例的同時，又能調控細胞的生長是發育生物學和合成生物學中的挑戰。早期調節細胞生長的嘗試依賴於誘導細胞凋亡。在發育過程中，細胞不僅數量會增加，細胞類型也會增加。驅動遺傳分化的經典案例是哺乳動物中用轉錄因子人工誘導來調控細胞命運。而將這些工具應用於類器官培養時，需要考慮其調節性大小。在進行探索時需要了解多大強度的信號才能引起效應，以及需要持續多久時間。
合成生物學應用於類器官還處於早期階段，但是它有很大的潛力。合成生物學可以讓我們預測和設計更為複雜的組織形態和功能特徵。如若能夠培養更多類似於體內器官功能的類器官，並且具有更高的複雜性和可重複性，這些都能成為很好的疾病模型，也可以進行更為有效的體外藥物預測試驗。改進的類器官培養或許也能夠在將來助力於器官移植，避免排斥反應，甚至可以實現在受傷部位原位再生。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.stem.2022.12.013