新进展!成功创建首个人类胰腺3D类器官模型

生物谷 2021-05-04 21:18


胰腺由内分泌室和外分泌室组成。虽然内分泌胰腺有胰岛,但占胰腺总体积90%以上的外分泌胰腺含有导管上皮 (~5%) 和腺泡上皮 (~85%) ,外分泌室是胰腺炎和胰管腺癌 (PDAC) 的起源部位。在体外培养中维持人类腺泡和导管细胞存在困难,导致我们对包括胰管腺癌 (PDAC) 在内的人类胰腺疾病的发生和进展的理解有限。

在最近一项研究中,来自美国哈佛大学的Senthil K. Muthuswamy团队报告了从人类干细胞来源的胰腺祖细胞 (PP) 细胞中产生胰管样或腺泡样器官结构的尝试,用于模拟外分泌胰腺的发育和疾病。相关结果近期发表在《Cell Stem Cell》杂志上。

(图片来源:DOI:https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.03.022)

在该研究中,作者首先系统地筛选了多种因子和小分子的组合,优化诱导PP细胞向导管或腺泡系指定的类器官分化的方案。他们通过激活成纤维细胞生长因子 (FGF) 、表皮生长因子 (EGF) 、非典型WNT家族和维甲酸途径以及抑制HDAC、典型WNT家族和ALK5途径,促进了导管样类器官的细化。

另一方面,通过激活典型的WNT、FGF和皮质醇通路以及抑制hedgehog、NOTCH家族、骨形态发生蛋白 (BMP) 和ALK5通路,促进腺泡样器官样体的细化。在特定培养条件下,腺泡和导管类器官形成率分别为6.57%、0.23%和1.7%、0.24% (n = 3)。所形成的导管类器官较大,囊性,可见中空腔;腺泡样体小,无可见腔,成球形,类器官被极化,顶端有许多分泌囊泡,这些小泡与已报道的成熟人腺泡细胞中存在的最尖端局部酶原颗粒并不类似,但它们与12- 14周大的人胎儿胰腺中观察到的酶原颗粒前体相似。

示意图

在成功培养类器官的基础上,作者使用单核RNA (snRNA) 测序作为两个类器官谱系之间分子差异的无偏倚评估,从PP细胞和第8天的腺泡和导管类器官中获得单核转录组,在两个细胞簇共享的共同基因中,导管类器官和祖细胞表现出最大的重叠,表明腺泡类器官与祖细胞区别更大。

研究发现,一些经典的外分泌谱系标志物,包括SOX9、HNF1B、CEL、PNLIP、CTRB1和CTRC,在不同培养类型中平均表达的趋势与类器官分化一致,但在细胞组之间没有统计学差异。他们通过评估snRNA分析中检测到的前20个差异上调或下调基因在人类胰腺中的定位,发现CALN1、CRID2、DLG2和LRP1B在腺泡样器官中富集,其定位模式与人胰腺腺泡细胞一致,而在导管样器官中富集的SLC4A4、ANXA4、C8orf34和MAGI1在人胰腺导管细胞中富集,其定位模式与人胰腺导管细胞一致。

可以看出,导管类器官和腺泡类器官的分化途径不同。另外,通过计算新生儿数据集的腺泡和导管类器官与腺泡和导管细胞的皮尔逊相关系数,证明腺泡细胞和新生儿外分泌胰腺的高相关性以及与成人导管中表达的基因的低代表性,他们的干细胞来源的类器官可能代表更多的新生儿状态。

接下来就是监测腺泡样和导管样结构中已识别的导管和腺泡标记物的表达和功能分化。导管样器官类表达高水平的胰腺导管标记物SOX9和碳酸酐酶II (CAII) ,而这些在腺泡样器官类中不可见或非常低。相比之下,腺泡样类器官表达胰腺腺泡标记物PTF1A和糜蛋白酶C (CTRC) 的水平高于导管样器官。作者用10 mM forskolin处理类器官2小时,以监测肿胀的变化,可以发现,导管样而非腺泡样器官样显示腔隙明显扩大。事实上,已经证明Forskolin可以诱导囊性纤维化跨膜电导调节 (CFTR) 依赖的管腔扩张,而CFTR表达缺失CFTR失活突变体的细胞对Forskolin治疗无效。导管样器官和腺泡样器官对Forskolin治疗的差异反应显示了谱系特异性功能。

HESC来源的导管样和腺泡样器官样的单细胞分析以及谱系标记物的表达和功能读数

基因组研究表明,超过80%的胰腺上皮内瘤变 (PanIN) 存在KRAS突变,并与侵袭性PDAC相关,而KRAS突变是PDAC癌前病变中最常见的基因组变化。以脱氧土霉素诱导的方式在PP细胞中表达GNASR201C和KRASG12D,发现KRAS和GNAS的激活突变具有谱系倾向性。KRAS在腺泡细胞中更有效,而GNAS在导管上皮中更有效

虽然KRASG12D在培养中能够诱导腺泡和导管细胞的增殖,但在体内,腺泡细胞比导管细胞更能促进癌变的形成。与IPMN起源于导管上皮的观点一致,导管腺孔通过与IPMN肿瘤病变相关的形态和粘蛋白 (MUC2) 的表达变化,对GNASR201C的表达产生强烈反应。腺泡细胞中GNASR201C的表达未能诱导MUC2的表达,这与之前的研究一致,即腺泡特异性的GNASR201C在小鼠模型中的表达不足以启动PDAC。了解调节这一谱系趋向性的机制和工程基因合作事件来模拟PDAC的起始和进展将为胰腺癌的起始调节事件提供重要的洞见。

体内研究方面,作者发现在DOX的作用下,67%(7 / 10)的表达KRASG12D的导管样器官样体移植小鼠表现出广泛的生长模式,100%(10 / 10)表达KRASG12D的腺泡样器官样体移植小鼠在体内显示了不同的生长模式,这些结果表明,两种类型的类器官都可以在体内生长,重现了胰腺肿瘤发生的不同阶段,腺泡样的类器官可以产生更侵袭性的病变。

本文原始出处:Ling Huang, Ridhdhi Desai, Daniel N. Conrad, et al., Commitment and oncogene-induced plasticity of human stem cell-derived pancreatic acinar and ductal organoids, Cell Stem Cell, 2021, ISSN 1934-5909,
https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.03.022.