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本文由韩国浦项科技大学 (POSTECH) 机械工程系的科研人员10月31日在线发表于Nature Communications杂志。原文衔接请点击文章最后的阅读原文。
在3D几何设计的透性膜中可扩展地生产均匀且成熟的类器官
文章创新点
该论文的创新性在于开发了一种新的3D类器官培养平台UniMat，专注于解决类器官研究中的显著挑战，特别是在类器官的一致性和成熟度方面。与常规平台相比，UniMat提供了两项关键创新：
几何设计的可渗透膜
UniMat采用了一个三维几何工程设计的、具有透气性的膜结构，为细胞聚集提供精确的空间约束。这种设计可以实现实验中的高一致性类器官发展。膜上的V型微孔阵列帮助细胞聚集，形成一致的起始细胞团，为类器官发育提供了更标准的起点。
不受限制的可溶性因子供应
可渗透膜结构支持营养物质、促生长因子和氧气的高效交换，这是促进类器官成熟的关键。此设计克服了传统微孔系统中扩散受限的问题，支持类器官的生长和长期存活。UniMat能够生成具有增强结构和功能成熟度的类器官，包括更好的血管化、更接近体内的细胞组成以及成熟肾单位标记物的表达。
这些特点使UniMat成为一个重要的平台，为可扩展的类器官生产提供了更好的一致性和成熟度，在疾病建模和药物筛选中具备显著潜力，满足了生物医学研究中的一大需求【s41467-024-53073-z】。
文章解析
1. 背景
类器官是由人类干细胞生成的小型三维结构，模仿了人体器官的结构和功能，在疾病建模、药物测试和器官发生研究中展现出巨大前景。然而，类器官在大小、形状和成熟度方面的可变性限制了其广泛应用，尤其是在高通量实验中。之前的类器官生产方法（如水凝胶包裹的自发聚集和微孔平台）由于营养扩散和溶解因子供给的限制，往往缺乏一致性。本文介绍了UniMat，一个新的三维几何设计、可渗透膜平台，旨在同时解决类器官一致性和成熟度的需求，支持可扩展的类器官生产。
2. 方法与技术途径
UniMat平台由纳米纤维膜构成的V型微孔阵列组成，通过静电纺丝和热成型工艺制造。该设计结合了几何约束和透气性膜结构：
几何约束：V型微孔确保细胞聚集一致，形成一致的初始细胞团，有助于获得标准化的类器官形状和大小。
透气性膜：多孔结构允许营养物质、促生长因子和氧气的自由交换，支持类器官的持续生长和成熟。
研究人员使用来源于人类诱导多能干细胞（hiPSC）的肾类器官作为模型系统，展示了UniMat在提高类器官一致性和促进功能成熟方面的优越性，相较于传统水凝胶或微孔平台具有显著优势。
3. 结果
一致性和尺寸控制：在UniMat平台上生长的肾类器官在多个批次中表现出显著更高的一致性，大小和结构组成上更加统一。此外，可通过调整微孔尺寸实现类器官大小的调节。
功能成熟度：在UniMat上培养的类器官表现出成熟特征，例如肾单位相关基因的高表达、更接近体内的细胞构成（如足细胞、近曲小管和远曲小管细胞），以及增强的血管化。
疾病建模和药物测试的改进：UniMat生成的成熟类器官为疾病研究提供了稳健的模型。研究通过使用福斯可林模拟多囊肾病（PKD）模型，及使用脂多糖模拟急性肾损伤（AKI）模型，展示了该平台的应用潜力。此外，UniMat中的类器官对药物CFTR抑制剂-172产生了可预测的反应，显示了其在标准化药物筛选中的应用潜力。
4. 讨论
UniMat代表了类器官技术的进步，提供了一个可扩展、即用型培养平台，支持一致的类器官生成并通过高效的营养交换促进类器官成熟。V型微孔阵列使得初始细胞聚集更为一致，有效减少了可变性。此外，纳米纤维膜的渗透性促进了成熟的类器官环境，使UniMat适用于肾脏疾病建模及其他可能的器官系统。
研究的局限性
尽管UniMat展现出极大潜力，但研究指出了一些局限性：
测试范围的局限性：该平台主要用于来源于hiPSC的肾类器官，尚未验证其在其他类器官类型上的效果。
定制化的复杂性：虽然该设计可以适应不同类器官大小，但针对不同器官类型定制微孔尺寸可能会增加复杂性。
大规模生产中的营养供应：尽管UniMat支持更好的营养扩散，但尚不清楚其是否能满足大尺寸和大规模类器官的营养需求，这可能需要更大的营养供应能力。
综上所述，UniMat平台有效解决了类器官生产中一致性和成熟度的挑战，为可重复的疾病建模和药物筛选开启了新可能。该研究建议未来应进一步探索UniMat对其他类器官类型的适应性和扩大规模的潜力。
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