Nat Rev Endocrinology | 胡文祥等综述干细胞和类器官模拟代谢性疾病和药物反应

代谢疾病，包括肥胖、糖尿病和心血管疾病，是现代世界中对人类健康的主要威胁，但是缺乏适当的人体模型限制了代谢疾病的机制研究和开发有效的治疗方法。值得注意的是，干细胞和类器官技术的进步允许产生可以复刻人体器官组织形态、分子和生理特性的干细胞与类器官模型。结合基因编辑工具，人类干细胞和类器官模型的蓬勃发展为代谢疾病研究提供了前所未有的良好系统。

2022年9月7日，来自广州实验室的胡文祥研究员和宾夕法尼亚大学的Mitch Lazar教授在Nature Reviews Endocrinology上发表了题为 Modelling metabolic diseases and drug response using stem cells and organoids 的综述文章。作者回顾了近十年来干细胞和类器官模型在代谢疾病尤其是肥胖和肝脏疾病研究中的应用。综述讨论了动物模型的局限性，以及干细胞和类器官模型在代谢性疾病机制研究、药物发现、药物毒副作用评价及精准医疗方面的强大优势。最后作者强调了类器官与基因编辑相结合的潜力，这可能给代谢疾病的再生治疗方案带来革命性影响。

一、脂肪类器官模型的发展

多能干细胞（hPSCs）来源的脂肪细胞为研究肥胖和糖尿病提供了一个独特的模型，并解决了仅靠动物模型无法回答的问题。之前研究已经建立了多种有效的诱导hPSCs分化为白色脂肪细胞和棕色脂肪细胞的方案。比如通过特定的转录因子，如核受体过氧化物酶体增殖物激活受体（PPARγ）可以高效地诱导产生白色脂肪细胞；额外添加转录因子CEBPB和PRDM16，能够促进hPSC来源的MSCs分化为棕色脂肪细胞。此外基于脂肪细胞的发育来源，有报道揭示造血因子可以有效地诱导棕色脂肪细胞的产生；而诱导hPSCs分化为轴旁中胚层（Paraxial Mesoderm），则完美模拟了棕色脂肪细胞的体外分化过程。

考虑到脂肪组织是一个高度异质性的器官，了解脂肪组织中各种细胞-细胞间的相互作用对于阐明脂肪发育、激活或功能障碍的机制至关重要，有利于开发代谢疾病的新治疗靶点。因此，一些研究小组开发了多种脂肪类器官的诱导方案。如脂肪组织基质血管成分（SVF）在悬滴板、低吸附板中生长为球状体，或者SVF细胞与其它细胞类型共培养于于基质胶中，形成血管化的脂肪类器官或含有免疫细胞的脂肪类器官。此外，组织工程、生物打印和器官芯片技术可以帮助创造更复杂和成熟的脂肪类器官，有助于研究脂肪发育、疾病和与其他器官的相互影响（图一）。

图一、 多能干细胞来源的脂肪细胞模型及脂肪类器官的发展

二、肝类器官模型的发展

自从第一个由Lgr5⁺干细胞建立的肠道类器官的发生以来，类似的方法已被应用于从其他组织干细胞产生类器官。如从Lgr5⁺细胞生成肝类器官的方案是：将Lgr5⁺干细胞与Wnt激动剂R-spondin一起在基质胶中培养产生囊肿样结构，这些囊肿样结构可以进一步分化成有功能的肝细胞，并在移植到Fah-/-小鼠中后可以生存及增殖。此外，肝组织内Epcam⁺胆管细胞也可以形成人肝脏类器官，并在长期扩增中保持基因组的稳定。最近研究发现终末分化的肝实质细胞在Wnt信号激活、炎症信号刺激等培养条件下可以高效形成肝细胞类器官。另外，上海生化细胞研究所惠利健老师课题组使用特定的转录因子也可从成纤维细胞中直接生成肝细胞类器官。

除了成体干细胞，诱导多能干细胞（iPSCs）具有患者特异性和稳健的肝类器官生成能力，可广泛用于模拟肝脏疾病和精准医疗。图二总结了多能干细胞在不同培养条件下可生成多种肝类器官模型。这些模型包括肝芽、肝细胞类器官、胆管细胞类器官、肝胆类器官、多细胞肝类器官和肝-胆-胰脏类器官，其结构和功能复杂性逐渐发展。

图二、肝类器官模型的发展

三、类器官在代谢疾病机制研究和药物精准医疗中的应用

类器官在结构和功能上模拟各种组织，这一技术为解析代谢疾病的潜在机制和开发个性化药物开辟了新的机会。肝类器官可用于模拟多种肝脏疾病，如遗传性肝病、非酒精性脂肪肝（NAFLD）和病毒-宿主相互作用。脂肪类器官为研究肥胖、脂质代谢以及胰岛素反应提供了良好的平台。此外，建立大型类器官队列可作为指导精准医疗的生物样本库，类器官还可用于高通量药物筛选和预测药物毒性。作者强调了自己课题组利用病人来源的干细胞与类器官模型在预测糖尿病药物（Cell Stem Cell, 2019）和糖皮质激素类药物（Cell Metabolism, 2021）个体特异性反应方面的重要发现（图三）。

图三、类器官在代谢疾病机制研究与药物精准医疗中的应用

四、代谢疾病的再生医学

利用CRISPR/Cas9或其他基因编辑工具改变类器官中与疾病相关的遗传突变，并将基因编辑后的类器官自体移植到代谢疾病个体中，可以确保移植物在没有任何免疫排斥反应的情况下更好的生存；此外还可以使用基因编辑来开发HLA匹配的hiPSC来源的细胞或类器官。而移植iPSCs来源的棕色脂肪细胞则可以通过增加能量消耗来治疗肥胖等代谢疾病。

图四、代谢疾病的再生医学

五、总结与展望

缺乏准确和可靠的体外模型来反映人体生理学，使得代谢疾病的转化研究受到了很大程度的限制。无论是来源于多能干细胞、健康组织还是病变组织成体干细胞的肝类器官和脂肪类器官，都在研究人类代谢性疾病的发生发展和治疗方面都显示出巨大的潜力。然而目前的类器官技术还不完善，需要结合组织工程技术等先进技术和理论来提高类器官产生的效率、数量和质量，以及类器官的复杂性与成熟度。我们期望类器官技术的持续发展将进一步弥合代谢疾病基础研究和转化医学之间的差距。