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shRNA表达克隆

类器官助力新冠药物研发

Jun 01, 2021 No Comments

 

类器官助力新冠药物研发
感染SARS-CoV-2病毒(白色)的人类肠道类器官。


病毒学家已经用SARS-CoV-2感染了数百万个微型器官,以了解这种病毒如何伤害机体,以及如何攻克它。

纽约市康奈尔医学院的干细胞生物学家Shuibing Chen花了近两个月来照顾50万个迷你肺。每一个迷你肺看起来都像一个小小的风暴云,被安置在一个温暖的盘子里,由一个果冻状的半球形罩保护起来。Chen的团队从人体细胞群中培育出这些迷你器官,每隔几天为它们添加营养物质,直至其长成3D的气囊形状。

这些肺部类器官逐渐成熟,直到达到小扁豆的大小。然后,研究小组把它们打包,运到几个街区外的一个实验室,该实验室被授权研究导致COVID-19大流行的SARS-CoV-2病毒。在那里,类器官会与病毒接触,并被施予15000种药物中的一种。虽然几乎所有的迷你肺都死亡了,但一些药物阻止了感染——这代表了少数几种可能的COVID-19治疗方法。

在疾病大流行的推动下,很多研究者投入到利用类器官研究传染病的领域,Chen就是其中一员。在过去的一年里,研究人员创造了微型肺、内脏、肝脏、大脑等,以研究SARS-CoV-2如何感染器官。他们已经了解了病毒攻击的目标细胞、攻击的速度以及细胞如何进行反击。

荷兰乌得勒支Hubrecht研究所(Hubrecht Institute)的发育生物学家Hans Clevers指出,类器官已成为病毒学家的一个工具。该技术以前主要用于研究基本的人类生物学、发育和相关疾病以及癌症,只有少数几个实验室使用该模型来研究病毒和其它传染病。现在,大流行已经把类器官带入了中心舞台,产生了具有高影响力的论文,并证明了它们对药物开发的价值。

它们是一个受欢迎的补充,因为目前研究病毒的方法有几个局限性。病毒学的典型工具是从非洲绿猴(Chlorocebus sabaeus)的肾脏中提取的一个癌细胞系,大约60年前首次提取,并一直在分裂。这些被称为Vero的细胞非常适合病毒生长,但不能反映人体正常的抗病毒反应。马萨诸塞波士顿大学(Boston University)的病毒学家Elke Mühlberger表示,他们“真的没多大作用”。研究人员也使用了一些癌细胞系,但与Vero细胞类似,它们对感染不像正常细胞那样有反应。

虽然研究人员现在已经确定了类器官在研究新的抗病毒药物中的巨大潜力,但他们的工作尚未产生任何能上市的药物。Clevers提醒,尽管如此,类器官技术从大流行中获得的好处,比COVID-19疗法从类器官技术中获得的好处更多。

为了充分发挥这项技术的潜力,科学家们仍然需要找到培育更复杂系统的方法,例如添加免疫细胞和血管。研究人员还需要简化生产过程,以便快速、廉价地制造出数千个(甚至是数百万个)统一的类器官。

香港大学病毒学家Jie Zhou指出,利用类器官来研究病毒还处于起步阶段。

 

无法培养的病毒

在开始研究类器官之前,病毒学家Mary Estes依靠一种更为混乱的方式来研究传染性极高的诺如病毒(vomiting bug norovirus,一种传染性很强的病原体,主要通过粪口途径传播,感染后会引起呕吐和腹泻)。没有人能在实验室里培养这种病毒。因此,为了她的研究,她请志愿者摄入该病毒,然后从志愿者的粪便中提取该病毒。

2011年,她看到了Clevers的一篇论文。在这篇论文中,Clevers用刮去肠绒毛的干细胞培育出迷你肠道。Clevers创造了第一个从成体干细胞中提取的类器官,这些细胞在正确的条件下几乎可以无限生长,并且可以将自身构造成反映其器官来源的复杂结构。(可以将胚胎干细胞或诱导多能干细胞培养成类器官,尽管这些细胞可以发育成任何类型的细胞,但它们通常反映的是胎儿发育早期的器官。)

就职于德克萨斯州休斯顿的贝勒医学院(Baylor College of Medicine)的Estes认为,那看起来像是一个他们应该尝试的系统,当时没有人把这些培养物用于病毒学。

2016年,在诺如病毒被发现近半个世纪后,Estes成为第一个在培养皿中培育人类诺如病毒的先行者,该病毒能在肠道类器官中繁殖。

她的研究证明类器官是人类疾病的一个很好的模型。例如,她发现,诺如病毒的变种在那些通常不会因该病毒而患病的人的细胞制造的类器官中根本无法复制。

此后,研究人员使用类器官研究了更多的病毒,包括在气道类器官中研究呼吸道合胞病毒(respiratory syncytial virus, RSV)——儿童肺部感染的常见原因,以及在肾脏类器官中研究罕见而神秘的BK病毒(是多瘤病毒家族成员,感染后多以潜伏状态存在,当宿主免疫功能低下时可重新激活)。

2016年,一个团队用寨卡病毒感染了正在发育的脑类器官,并建立了孕妇感染与小头畸形之间的联系。小头畸形是指胎儿的头部异常小。感染后10天,脑类器官比未感染的小40%。巴西里约热内卢联邦大学(Federal University of Rio de Janeiro)神经生物学家Patricia Garcez领导了这项工作,她指出,这些神经祖细胞是“寨卡病毒感染的沃土”。

2018年,Zhou、Clevers等人开发了一种肺部类器官,可用于快速评估一种新型流感病毒的传染性。已知对人类具有高度传染性的毒株,包括导致2009年H1N1流感大流行的毒株,在类器官中复制的速度比通常感染猪和鸟的毒株要快得多。

除了这些例子,当SARS-CoV-2出现并引起他们的注意时,很少有病毒学家利用类器官进行过实验。

没过多久,Clevers就认识到他的类器官模型在研究流行病中不熟悉的病毒方面的潜力。Clevers表示,有明显的迹象表明,这种病毒可能会影响肠道,尤其是儿童的肠道。他想知道是否可以用他的肠道类器官来观察病毒是否可以感染肠道组织。

2020年3月15日,也就是荷兰封锁的那天,他向鹿特丹的同事索要了SARS-CoV-2的样本。在7周内,他和他的同事在《科学》(Science)杂志上发表了一篇论文,表明SARS-CoV-2可以在微型肠道中轻易复制,特别是针对排列在肠道内的肠上皮细胞。这项研究有助于解释为什么一些COVID-19患者会出现腹泻和呕吐等消化问题,并确定了另一种可能的传播途径。

此后,研究人员发现,SARS-CoV-2可以感染从肝脏到肾脏再到大脑的许多微型器官,这与某些COVID-19患者的多器官损伤类似。

最受关注的器官是肺,这是有充分理由的。深埋在肺部的囊泡是严重COVID-19患者的肺炎发生部位。这些细胞很难被接触和研究。加州斯坦福大学(Stanford University)的病毒免疫学家Catherine Blish等人利用自发形成这些气囊的细胞来研究感染情况。

研究人员发现,这种病毒在由肺泡和为其提供营养物质的微小气道细胞制造的类器官中泛滥。在肺泡中,SARS-CoV-2针对覆盖在暴露于空气表面的细胞,这些细胞富含ACE2受体,SARS-CoV-2通过ACE2受体进入细胞。该病毒还影响了气道中的细胞,该细胞分泌一种分子,用于处理肺部的持续拉伸,名为分泌细胞。Blish指出,如果没有类器官,他不知道他们还能不能发现分泌细胞可以支持SARS-CoV-2复制,因为没有人会想到在分泌细胞上进行研究。

对小肺泡的其他研究揭示了病毒和细胞之间战斗的细节。大田市韩国科学技术高级研究院(Korea Advanced Institute of Science and Technology in Daejeon)的基因组科学家Young Seok Ju发现,这些细胞大约需要一天进行反击。细胞和病毒之间的斗争随之而来,从第三天开始,超过四分之一的细胞开始死亡。

科学家们还想知道更多关于病毒如何进入细胞的信息。在一项研究中,研究人员在肠道类器官中使用基因编辑技术CRISPR来识别另外两种蛋白质——TMPRSS2和TMPRSS4——它们与ACE2一起促进了病毒的侵入。其他实验室正在彻底消灭ACE2,看看病毒是否还能进入细胞。Chen指出,他们对类器官研究得越多,就越意识到不同类型的细胞使用不同的机制来支持病毒入侵。

类器官也被用于研究SARS-CoV-2的新变种。在一份预印文件中,Clevers等人发现,在人类气道、肺泡和肠道类器官中,在英国首次发现的B.1.1.7变异在感染的后期阶段可以产生比以前传播的变异更多的传染性病毒。这可能解释了为什么B.1.1.7更具传染性。

 

类器官助力新冠药物研发1


微小的扁桃体

对这种病毒在人体中肆虐的直观观察可以帮助研究人员找到阻止它的方法。加拿大萨斯喀彻温大学(University of Saskatchewa)的冠状病毒研究人员Arinjay Banerjee表示,类器官有助于填补在细胞系和在动物模型中观察病毒之间的鸿沟,毕竟细胞系缺乏复杂性,而动物模型不能很好地反映人类感染,且价格昂贵。他计划在自己的工作中使用肠道类器官。

Blish指出,许多在细胞实验中中看起来很有前途的候选药物在后期往往会失败。一个典型的例子是羟氯喹,它是首批被吹捧为COVID-19治疗药物之一。对Vero细胞的研究表明,氯喹可以阻断病毒,但后来的临床试验表明,它没有保护作用。Clevers等人研究了SARS-CoV-2是如何感染肠道类器官的,他们发现SARS-CoV-2感染肠道类器官的途径与感染Vero细胞的途径不同。他们发现,羟氯喹可以阻断病毒在Vero细胞中的传播途径,但在类器官中不能。Clevers指出,如果这些最初的药物筛选是在类器官而不是Vero细胞上进行的,那么羟氯喹就永远不会成为一个有前途的候选药物。

许多研究小组正在努力实现类器官在药物发现方面的潜力。Chen已经在微型结肠和微型肺上测试了大约1000种药物,并确定了7种看起来很有前景的药物,包括抗病毒药物瑞德西韦,该药物已经在临床试验中显示有一些临床益处。Chen认为她的研究结果证明了类器官筛选的实用性。

在肺类器官中进行的15000种药物筛查是她迄今为止最大的尝试。她花了几周来调整自己的方法,以创造出尽可能相似的类器官。Chen指出,他们总是担心类器官之间存在差异,导致最后的结果不可信。这项筛选是一个更大项目的一部分,在这个项目中,多个实验室使用不同的方法研究同一种化合物,并比较它们的结果。

类器官也被用来测试疫苗。今年1月,研究人员从手术中提取的废弃组织碎片中开发出了迷你扁桃体。扁桃体在人体的防御中起着关键作用,它们通常是第一个产生免疫细胞来对抗病原体的器官,以确保持久的保护。

当研究人员用这些迷你扁桃体测试COVID-19候选疫苗时,一些扁桃体类器官产生免疫反应,产生杀伤T细胞,以及能够针对病毒表面刺突蛋白的抗体。但是需要做大量的工作来了解类器官的行为是否能真实反映人体内的免疫反应。

另外,身体的器官不是孤立存在的。为了真正了解一个人感染SARS-CoV-2后会发生什么,以及治疗是否有效,研究人员需要更复杂的系统,包括免疫细胞和血管细胞。

东京医科和牙科大学(Tokyo Medical and Dental University)的临床科学家和干细胞生物学家Takanori Takebe在一项未发表的工作中,在肝类器官上培养血管细胞,发现较小的毛细血管和静脉比较大的血管更容易受到SARS-CoV-2感染。Chen在心肌细胞上联合培养了一种叫做巨噬细胞的免疫细胞,并对她的肺类器官做同样的事情。这些实验,加上动物模型研究,可能有助于解决一个持续的争论,即到底是病毒本身,还是过度活跃的免疫反应,使COVID-19如此致命。

理想情况下,研究人员希望能够将类器官连接在一起。例如,这些系统可以揭示从肺部开始的感染如何影响心脏或肠道。Mühlberger指出,每个病毒学家的梦想是将不同的器官相互连接起来,越接近人体器官就越好,我们就越能了解为什么病毒具有如此高的致病性。

2019年,Takebe连接了肝脏、胆管和胰腺的类器官,但到目前为止,没有团队发表过使用多器官模型研究SARS-CoV-2的论文。

 

下一次疫情

细胞生物学家和病毒学家之间形成的合作可能会延续到COVID-19之后。

对于每一个被SARS-CoV-2感染的类器官,Mühlberger都用埃博拉病毒进行了平行实验。埃博拉病毒是一种致死出血热的病因,感染模式非常少。她发现埃博拉病毒可以感染几乎所有组织,甚至可以到达SARS-CoV-2不敢进入的地区。这种能力可能是埃博拉病毒如此致命的原因。

为了预测下一次大流行,一些研究人员正转向从动物细胞中提取的类器官。

2020年初,Zhou联系了中国武汉病毒研究所(Wuhan Institute of Virology)病毒学家石正丽,帮助鉴定了SARS-CoV-2的已知最近亲属——蝙蝠冠状病毒RATG13。石表示,她已经对蝙蝠的数百种冠状病毒进行了测序,但只能培养出少数几种。Zhou想知道,是否能从蝙蝠组织中培养出类器官。这些技术可以用来测试针对各种可能感染人类的病毒的药物。

Zhou从野生马蹄蝠(Rhinolophus sinicus)的肠道中截取了一些片段,并创造了由多种细胞类型组成的小型蝙蝠肠道。SARS-CoV-2在肠道内生长良好——这是冠状病毒可以感染马蹄蝠的首个实验证据,为它起源于蝙蝠的假说增加了证据。

Ju表示,利用类器官研究病毒仍然是一项新的研究,但许多人认为它们是探索人类细胞和病毒之间相互作用的令人兴奋的模型,而且这项技术可以使人们对下一次大流行的反应更快。

Estes认为这是神奇的培养物,往往是个人的想象力限制了这个领域的发展。

 

原文检索:
Smriti Mallapaty. (2021) The Mini Lungs and Other Organoids Helping to Beat COVID. Nature, 593: 492-494.
张洁/编译

 

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