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Engineered materials for organoid systems. ​

文献信息 ​

DOI10.1038/s41578-019-0129-9
PMID33552558
期刊Nature reviews. Materials
影响因子86.2
JCR 分区Q1
发表年份2019
被引次数155
关键词器官类器官, 细胞培养, 生物材料, 基质, 水凝胶
文献类型Journal Article
ISSN2058-8437
页码606-622
期号4(9)
作者Michael J Kratochvil, Alexis J Seymour, Thomas L Li, Sergiu P Paşca, Calvin J Kuo, Sarah C Heilshorn

一句话小结 ​

本综述探讨了类器官培养中细胞-基质相互作用的重要性，强调通过调节生物材料的特性来实现类器官的可重复生成和控制。研究表明，工程化基质能够更好地支持类器官的发育与成熟，为未来的生物材料设计和类器官研究提供了新的方向。

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器官类器官 · 细胞培养 · 生物材料 · 基质 · 水凝胶

摘要 ​

类器官是三维细胞培养系统，模拟了某些器官的结构和功能特征。类器官培养为研究器官层次生物学提供了机会，这些模型比二维细胞培养系统或非灵长类动物模型更接近人类生理。许多类器官培养依赖去细胞化的细胞外基质作为支架，这些基质通常化学定义较差，且仅允许有限的可调性和可重复性。相比之下，工程化基质的生化和生物物理特性可以被调节和优化，以支持类器官培养的发育和成熟。在本综述中，我们强调了指导干细胞决策的关键细胞-基质相互作用如何为生物材料的设计提供信息，以实现类器官培养的可重复生成和控制。我们调查了天然、合成和蛋白质工程水凝胶在不同类器官系统中的适用性，并讨论了与类器官形成相关的生化和机械材料特性。最后，我们探讨了动态和细胞响应材料系统在类器官研究中的未来应用。

英文摘要 ​

Organoids are 3D cell culture systems that mimic some of the structural and functional characteristics of an organ. Organoid cultures provide the opportunity to study organ-level biology in models that mimic human physiology more closely than 2D cell culture systems or non-primate animal models. Many organoid cultures rely on decellularized extracellular matrices as scaffolds, which are often poorly chemically defined and allow only limited tunability and reproducibility. By contrast, the biochemical and biophysical properties of engineered matrices can be tuned and optimized to support the development and maturation of organoid cultures. In this Review, we highlight how key cell-matrix interactions guiding stem-cell decisions can inform the design of biomaterials for the reproducible generation and control of organoid cultures. We survey natural, synthetic and protein-engineered hydrogels for their applicability to different organoid systems and discuss biochemical and mechanical material properties relevant for organoid formation. Finally, dynamic and cell-responsive material systems are investigated for their future use in organoid research.

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主要研究问题 ​

  1. 在设计用于类器官系统的工程材料时，哪些细胞-基质相互作用是最关键的？
  2. 如何评估不同类型的水凝胶在类器官培养中的有效性和适用性？
  3. 工程材料的生化和生物物理特性如何影响类器官的发育和成熟？
  4. 动态和细胞响应性材料系统在未来类器官研究中的潜在应用有哪些？
  5. 现有的去细胞外基质在类器官培养中存在哪些局限性，如何通过工程材料克服这些局限？

核心洞察 ​

研究背景和目的 ​

近年来，器官样体（organoids）作为一种三维细胞培养系统，能够更好地模拟人类器官的结构和功能特性，逐渐成为生物医学研究中的重要工具。与传统的二维细胞培养系统和动物模型相比，器官样体提供了更接近人类生理的模型，尤其在药物开发和疾病研究方面具有巨大潜力。然而，现有的器官样体培养方法往往依赖于去细胞化的细胞外基质（ECM），这些基质在化学成分上不够明确，且可调性和重现性有限。因此，本研究旨在探讨如何通过工程化材料来改善器官样体的培养，强调细胞与基质的相互作用，以实现器官样体的可重复生成和控制。

主要方法/材料/实验设计 ​

本研究采用了多种工程化材料，包括天然、合成和蛋白质工程的水凝胶，以支持不同类型的器官样体培养。具体方法包括：

  • 细胞来源选择：可从原代组织、成人干细胞或多能干细胞（如胚胎干细胞和诱导性多能干细胞）中获取。
  • 培养基设计：采用无均匀培养基，允许细胞在三维环境中自由生长和自我组织。
  • 基质类型选择：使用去细胞化ECM、天然生物聚合物（如胶原蛋白、透明质酸）和合成聚合物（如聚乙烯醇水凝胶）作为三维培养基。
  • 动态材料系统：探索动态和细胞响应材料的应用，以支持器官样体的形成和成熟。
Mermaid diagram

关键结果和发现 ​

  1. 材料特性影响：研究表明，基质的机械特性、几何结构和降解性对细胞行为和器官样体的形成具有重要影响。
  2. 细胞-基质相互作用：通过调节细胞粘附配体的展示、基质的刚度和几何形状，可以显著改善器官样体的生长和成熟。
  3. 器官样体的多样性：不同类型的器官样体（如肠道、脑、肺等）在不同的材料体系中表现出独特的生长特征和功能。

主要结论/意义/创新性 ​

本研究强调了工程化材料在器官样体培养中的重要性，指出通过优化基质的化学和物理特性，可以提高器官样体的重现性和人类相关性。这一发现为未来的疾病建模、药物筛选和再生医学提供了新的研究平台和方法论，推动了生物医学领域的创新发展。

研究局限性和未来方向 ​

尽管本研究展示了工程化材料在器官样体培养中的潜力，但仍存在一些局限性：

  • 复杂性和多样性：不同组织类型的器官样体可能需要不同的材料设计，这对材料的通用性提出了挑战。
  • 临床转化：目前大多数研究集中在小鼠或人类诱导多能干细胞衍生的器官样体上，未来需要更多基于患者来源的器官样体研究。

未来的研究方向应包括：

  • 开发更多具有临床转化潜力的材料。
  • 深入探索不同细胞类型的相互作用及其对器官样体形成的影响。
  • 结合生物制造技术，实现更复杂的器官样体结构和功能。

参考文献 ​

  1. Matrix crosslinking forces tumor progression by enhancing integrin signaling. - Kandice R Levental;Hongmei Yu;Laura Kass;Johnathon N Lakins;Mikala Egeblad;Janine T Erler;Sheri F T Fong;Katalin Csiszar;Amato Giaccia;Wolfgang Weninger;Mitsuo Yamauchi;David L Gasser;Valerie M Weaver - Cell (2009)
  2. Designing alginate hydrogels to maintain viability of immobilized cells. - Hyun Joon Kong;Molly K Smith;David J Mooney - Biomaterials (2003)
  3. The regulation of tendon stem cell differentiation by the alignment of nanofibers. - Zi Yin;Xiao Chen;Jia Lin Chen;Wei Liang Shen;Thi Minh Hieu Nguyen;Ling Gao;Hong Wei Ouyang - Biomaterials (2010)
  4. Human Brain Organoids on a Chip Reveal the Physics of Folding. - Eyal Karzbrun;Aditya Kshirsagar;Sidney R Cohen;Jacob H Hanna;Orly Reiner - Nature physics (2018)
  5. Incorporation of heparin into biomaterials. - Shelly E Sakiyama-Elbert - Acta biomaterialia (2014)
  6. Sorting at embryonic boundaries requires high heterotypic interfacial tension. - Laura Canty;Eleyine Zarour;Leily Kashkooli;Paul François;François Fagotto - Nature communications (2017)
  7. The influence of the RGD peptide motif and its contextual presentation in PEG gels on human mesenchymal stem cell viability. - Chelsea N Salinas;Kristi S Anseth - Journal of tissue engineering and regenerative medicine (2008)
  8. Generation of tissue-engineered small intestine using embryonic stem cell-derived human intestinal organoids. - Stacy R Finkbeiner;Jennifer J Freeman;Minna M Wieck;Wael El-Nachef;Christopher H Altheim;Yu-Hwai Tsai;Sha Huang;Rachel Dyal;Eric S White;Tracy C Grikscheit;Daniel H Teitelbaum;Jason R Spence - Biology open (2015)
  9. Immobilization of Cell-Adhesive Laminin Peptides in Degradable PEGDA Hydrogels Influences Endothelial Cell Tubulogenesis. - Saniya Ali;Jennifer E Saik;Dan J Gould;Mary E Dickinson;Jennifer L West - BioResearch open access (2013)
  10. Self-organized amniogenesis by human pluripotent stem cells in a biomimetic implantation-like niche. - Yue Shao;Kenichiro Taniguchi;Katherine Gurdziel;Ryan F Townshend;Xufeng Xue;Koh Meng Aw Yong;Jianming Sang;Jason R Spence;Deborah L Gumucio;Jianping Fu - Nature materials (2017)

引用本文的文献 ​

  1. iPSCs-Based Neural 3D Systems: A Multidimensional Approach for Disease Modeling and Drug Discovery. - Gianluca Costamagna;Luca Andreoli;Stefania Corti;Irene Faravelli - Cells (2019)
  2. Engineered 3D Polymer and Hydrogel Microenvironments for Cell Culture Applications. - Daniel Fan;Urs Staufer;Angelo Accardo - Bioengineering (Basel, Switzerland) (2019)
  3. Vertically-Aligned Functionalized Silicon Micropillars for 3D Culture of Human Pluripotent Stem Cell-Derived Cortical Progenitors. - Alessandro Cutarelli;Simone Ghio;Jacopo Zasso;Alessandra Speccher;Giorgina Scarduelli;Michela Roccuzzo;Michele Crivellari;Nicola Maria Pugno;Simona Casarosa;Maurizio Boscardin;Luciano Conti - Cells (2019)
  4. Bioengineered microenvironment to culture early embryos. - Zhen Gu;Jia Guo;Hongmei Wang;Yongqiang Wen;Qi Gu - Cell proliferation (2020)
  5. Gastrointestinal tract modeling using organoids engineered with cellular and microbiota niches. - Sungjin Min;Suran Kim;Seung-Woo Cho - Experimental & molecular medicine (2020)
  6. Effect of Laminin Derived Peptides IKVAV and LRE Tethered to Hyaluronic Acid on hiPSC Derived Neural Stem Cell Morphology, Attachment and Neurite Extension. - T Hiran Perera;Xi Lu;Laura A Smith Callahan - Journal of functional biomaterials (2020)
  7. Gaining New Biological and Therapeutic Applications into the Liver with 3D In Vitro Liver Models. - Sang Woo Lee;Da Jung Jung;Gi Seok Jeong - Tissue engineering and regenerative medicine (2020)
  8. Topographic Cues Impact on Embryonic Stem Cell Zscan4-Metastate. - Carlo F Natale;Tiziana Angrisano;Luigi Pistelli;Geppino Falco;Viola Calabrò;Paolo A Netti;Maurizio Ventre - Frontiers in bioengineering and biotechnology (2020)
  9. Tools for probing host-bacteria interactions in the gut microenvironment: From molecular to cellular levels. - Kimberly A Wodzanowski;Samantha E Cassel;Catherine L Grimes;April M Kloxin - Bioorganic & medicinal chemistry letters (2020)
  10. Fully synthetic matrices for in vitro culture of primary human intestinal enteroids and endometrial organoids. - Victor Hernandez-Gordillo;Timothy Kassis;Arinola Lampejo;GiHun Choi;Mario E Gamboa;Juan S Gnecco;Alexander Brown;David T Breault;Rebecca Carrier;Linda G Griffith - Biomaterials (2020)

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