在適當的物理和生化線索條件下，原代組織或多能干細胞（誘導的多能干細胞（iPSC）或胚胎干細胞（ESC））可以產生類器官。
物理線索：為細胞附著和存活提供支持，包含膠原蛋白、纖連蛋白、巢蛋白和層粘連蛋白等。
生化線索：調節信號通路，從而影響增殖、分化和自我更新，包括視黃酸、GSK3β抑制劑（AR-A014418、GNF4877、AZD1080），TGFβ抑制劑（A 83-01、RepSox、SB525334）、HDAC抑制劑（SAHA、Trichostatin A、Valproic acid）、ROCK抑制劑（Y-27632、Y-27632 dihydrochloride、Fasudil法舒地爾、Hydroxyfasudil羥基法舒地爾、Y-33075、Chroman 1、GSK429286A、Thiazovivin）、EGF、FGF10、HGF、R-spondin、WNT3A、頭蛋白、激活素A、p38抑制劑（SB202190、PD 169316）和胃泌素。
類器官和類球體都是3D培養細胞。球狀體通常由癌細胞系或腫瘤活檢組織形成，為超低附著平板中的自由漂浮細胞聚集體，而類器官則來自嵌入在ECM水凝膠基質（如基質膠）中的組織干細胞。與球裝體相比，類器官高度復雜，更接近體內狀態。
模型系統通過從分子至整個生物體水平概括身體過程與功能來促進生物學研究。人體由以高度專門化方式組織的細胞和非細胞材料組成。用一種體外模型系統很難模擬人類生物學的所有方面。與在2D平面上生長細胞相比，3D細胞培養模型更能準確地代表活體生物體中細胞所經歷的自然環境。
現有細胞模型系統的局限性
|
現有模型系統 |
特點 |
|
動物模型 |
l 人類與動物生物學存在差異 l 在成像和高通量研究中的可用性有限 l 成本高昂 |
|
2D細胞單層 |
l 細胞失去表型 l 缺乏細胞-細胞及細胞-基質之間的相互作用 l 無法模擬體內條件下的細胞功能和信號通路 |
|
3D細胞聚集體 |
l 瞬間模擬細胞組織和相互作用 l 難以維持長期培養 l 缺乏自我更新和分化的能力 |
|
類器官 |
來源 |
培養條件 |
類器官中的細胞類型 |
參考文獻 |
|
胃
|
hPSC多能干細胞 |
內胚層誘導：Rock抑制劑（Y-27632）Cat#53006ES，52604ES 球狀體生成：視黃酸 類器官形成：視黃酸、EGF |
LGR5+ 細胞、粘液細胞、胃內分泌細胞 |
1 |
|
hAdSC脂肪干細胞 |
LGR5+ 細胞、小凹粘液細胞、腺體粘液細胞、主細胞和腸內分泌細胞 |
2 |
||
|
腸
|
hPSC |
類器官形成：FGF4、WNT3A 成熟：RSpondin1、頭蛋白、EGF、FGF4、WNT |
腸細胞、杯狀細胞、潘氏細胞和腸內分泌細胞 |
3 |
|
hAdSC |
建立：EGF、Rspondin、頭蛋白、WNT3A、煙酰胺、胃泌素、TGFβ抑制劑（A 83-01、RepSox、SB525334）、p38抑制劑（SB202190、PD 169316） |
腸上皮衍生物和干細胞 |
4 |
|
|
結腸 |
hAdSC |
建立：EGF、Rspondin、頭蛋白、WNT3A、煙酰胺、胃泌素、TGFβ抑制劑（A 83-01、RepSox、SB525334）、p38抑制劑（SB202190、PD 169316） |
上皮細胞和間充質衍生物 |
4 |
|
肝臟
|
hAdSC |
建立：頭蛋白、WNT、ROCK抑制劑（Fasudil法舒地爾、Hydroxyfasudil羥基法舒地爾、Y-33075、Chroman 1、GSK429286A、Thiazovivin 分化：胃泌素、EGF、Rspondin、FGF10、肝細胞生長因子、煙酰胺、TGFβ抑制劑（A 83-01、RepSox、SB525334）、毛喉素 |
功能性肝細胞 |
5 |
|
hiPSC |
內胚層誘導：激活素A 肝臟特化：BMP4、FGF2、肝細胞生長因子 成熟：制瘤素 |
功能性肝細胞 |
6 |
|
|
胰腺 |
hAdSc |
建立：TGFβ抑制劑（A 83-01、RepSox、SB525334）、頭蛋白、R-Spondin 1、WNT3A、EGF、FGF10、煙酰胺 |
上皮導管細胞 |
7 |
|
前列腺 |
hAdSc |
EGF、R-Spondin1、頭蛋白、TGFβ抑制劑（A 83-01、RepSox、SB525334）、p38 MAPK激酶抑制劑（BIRB 796）、FGF10、FGF2、PGE2、煙酰胺和DHT |
分化的CK5+ 基底細胞和CK8+ 腔細胞 |
8 |
|
肺 |
hPSC |
內胚層誘導：激活素A 前腸內胚層分化：BMP、TGFβ抑制劑（A 83-01、RepSox、SB525334）和Wnt抑制劑（IWP-2、IWP-4、Pyrvinium pamoate撲蟯靈） 腹側肺氣道祖細胞：Wnt、BMP、FGF、RA激活劑 肺類器官：Wnt、FGF、cAMP和糖皮質激素 |
間充質和肺上皮細胞 |
9 |
|
腦 |
hPSC |
神經誘導：N2補充劑、NEAA和肝素 分化：N2補充劑、2-巰基乙醇、胰島素 成熟：維生素A、視黃酸 |
祖細胞群，產生成熟的大腦皮層神經元 |
10 |
|
腎臟 |
hPSC |
中間中胚層誘導：Wnt、GSK3α抑制劑（SB 415286、SB 216763、AZD2858、BIP-135、BIO-acetoxime、CHIR-98014） 類器官形成：GSK3α抑制劑（SB 415286、SB 216763、AZD2858、BIP-135、BIO-acetoxime、CHIR-98014）、FGF9 |
腎元和內皮細胞 |
11 |
|
產品名稱 |
貨號 |
產品描述 |
|
CHIR-99021 |
可增強小鼠和人類胚胎干細胞的自我更新 |
|
|
SB-431542 |
ALK5/TGF-β type I Receptor抑制劑，抑制TGF-β信號通路 |
|
|
LDN193189 (DM-3189) |
BMP（轉錄活性形態發生蛋白）信號通路抑制劑 |
|
|
LDN-193189 HCl |
BMP（轉錄活性形態發生蛋白）信號通路抑制劑 |
|
|
DAPT (GSI-IX,LY-374973) |
γ-分泌酶抑制劑：Notch信號通路抑制，促進胚胎干細胞神經分化 |
|
|
Y-27632 |
ROCK的選擇性抑制劑，明顯降低胚胎干細胞分離誘導的細胞凋亡，提高克隆形成效率，還可以促進體外培養的人角膜上皮細胞增殖 |
|
|
Y-27632 dihydrochloride |
ROCK的選擇性抑制劑，明顯降低胚胎干細胞分離誘導的細胞凋亡，提高克隆形成效率，還可以促進體外培養的人角膜上皮細胞增殖 |
|
|
LY-411575 (LY411575) |
γ-分泌酶抑制劑：Notch信號通路抑制，促進胚胎干細胞神經分化和原代細胞增殖 |
|
|
Valproic acid |
又名丙戊酸(VPA)，是HDAC抑制劑，激活Notch-1信號通路，激活Wnt依賴的基因表達 |
|
|
Repsox |
TGFβR-1抑制劑，誘導iPS細胞重編程 |
|
|
Purmorphamine |
Smoothened激活劑：誘導成骨細胞分化，在多能間充質祖細胞中表現出成骨誘導活性；促進人紋狀體神經干細胞分化 |
|
|
Retinoic acid (維甲酸,維A酸) |
誘導胚胎干細胞分化為神經元和神經膠質細胞，在細胞生長、分化和器官形成上發揮關鍵作用 |
|
|
Forskolin毛喉素 |
腺苷酸環化酶激活劑，胞內cAMP形成的誘導劑，對心臟有正性肌力作用，可誘導細胞自噬 |
|
|
IWR-1 |
抑制Wnt/β-catenin信號通路，可作為人胚胎干細胞和小鼠的Wnt信號通路的拮抗劑，促進β-catenin磷酸化 |
|
|
SB 203580 |
p38 MAPK激酶抑制劑：促進胚胎干細胞分化為心肌細胞，促進胚胎干細胞增殖和自我更新 |
|
|
SB-202190 |
高效的p38 MAPK激酶抑制劑，可誘導人胚胎干細胞向心肌細胞分化，促進神經干細胞的自我更新 |
|
|
Dorsomorphin dihydrochloride |
p38 MAPK激酶抑制劑；促進人內皮祖細胞增殖；促進人ES細胞分化為心肌細胞；增強小鼠ES細胞增殖和自我更新； |
|
|
IDE1 |
可以滲透細胞的小分子物質，可誘導人和小鼠胚胎干細胞分化為限定性內胚層細胞 |
|
|
IDE2 |
可以滲透細胞的小分子物質，可誘導人和小鼠胚胎干細胞分化為限定性內胚層細胞 |
|
|
Wortmannin渥曼青霉素 |
PI3K抑制劑，而PI3K是限定性內胚層形成的抑制性信號。PI3K抑制劑Wortmannin渥曼青霉素促進限定性內胚層的形成 |
|
|
Trichostatin A |
組蛋白去乙?；敢种苿?，單獨用于體外培養過程中細胞存活率低，和5-氮雜胞苷(5-Azacytidine)共培養，可提高細胞存活率 |
|
|
5-氮雜胞苷 |
和Trichostatin A共培養，可提高細胞存活率 |
|
|
A 83-01 |
TGF-β Ⅰ型受體抑制劑、ALK5抑制劑，可抑制TGF-β誘導的上皮-間充質轉移 |
|
|
Nicotinamid煙酰胺 |
B3維生素，SIRT1抑制劑，在細胞生理學中發揮重要作用 |
1. McCracken KW, Catá EM, Crawford CM, Sinagoga KL, Schumacher M, Rockich BE, Tsai Y, Mayhew CN, Spence JR, Zavros Y, et al. 2014. Modelling human development and disease in pluripotent stem-cell-derived gastric organoids. Nature. 516(7531):400-404. http://dx.doi.org/10.1038/nature13863
2. Bartfeld S, Bayram T, van de Wetering M, Huch M, Begthel H, Kujala P, Vries R, Peters PJ, Clevers H. 2015. In Vitro Expansion of Human Gastric Epithelial Stem Cells and Their Responses to Bacterial Infection. Gastroenterology. 148(1):126-136.e6. http://dx.doi.org/10.1053/j.gastro.2014.09.042
3. Sato T, Stange DE, Ferrante M, Vries RG, van Es JH, van den Brink S, van Houdt WJ, Pronk A, van Gorp J, Siersema PD, et al. 2011. Long-term Expansion of Epithelial Organoids From Human Colon, Adenoma, Adenocarcinoma, and Barrett's Epithelium. Gastroenterology. 141(5):1762-1772. http://dx.doi.org/10.1053/j.gastro.2011.07.050
4. Si-Tayeb K, Noto FK, Nagaoka M, Li J, Battle MA, Duris C, North PE, Dalton S, Duncan SA. 2010. Highly efficient generation of human hepatocyte-like cells from induced pluripotent stem cells. Hepatology. 51(1):297-305.http://dx.doi.org/10.1002/hep.23354
5. Huch M, Gehart H, van Boxtel R, Hamer K, Blokzijl F, Verstegen MM, Ellis E, van Wenum M, Fuchs SA, de Ligt J, et al. 2015. Long-Term Culture of Genome-Stable Bipotent Stem Cells from Adult Human Liver. Cell. 160(1-2):299-312. http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2014.11.050
6. Dye BR, Hill DR, Ferguson MA, Tsai Y, Nagy MS, Dyal R, Wells JM, Mayhew CN, Nattiv R, Klein OD, et al. In vitro generation of human pluripotent stem cell derived lung organoids. 4 http://dx.doi.org/10.7554/elife.05098
7. Boj SF, Hwang C, Baker LA, Chio IIC, Engle DD, Corbo V, Jager M, Ponz-Sarvise M, Tiriac H, Spector MS, et al. 2015. Organoid Models of Human and Mouse Ductal Pancreatic Cancer. Cell. 160(1-2):324-338. http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2014.12.021
8. Karthaus WR, Iaquinta PJ, Drost J, Gracanin A, van Boxtel R, Wongvipat J, Dowling CM, Gao D, Begthel H, Sachs N, et al. 2014. Identification of Multipotent Luminal Progenitor Cells in Human Prostate Organoid Cultures. Cell. 159(1):163-175. http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2014.08.017
9. Takasato M, Er PX, Chiu HS, Little MH. 2016. Generation of kidney organoids from human pluripotent stem cells. Nat Protoc. 11(9):1681-1692. http://dx.doi.org/10.1038/nprot.2016.098
10. Lancaster MA, Renner M, Martin C, Wenzel D, Bicknell LS, Hurles ME, Homfray T, Penninger JM, Jackson AP, Knoblich JA. 2013. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature. 501(7467):373-379. http://dx.doi.org/10.1038/nature12517
11. Takasato M, Er PX, Chiu HS, Maier B, Baillie GJ, Ferguson C, Parton RG, Wolvetang EJ, Roost MS, Chuva de Sousa Lopes SM, et al. 2015. Kidney organoids from human iPS cells contain multiple lineages and model human nephrogenesis. Nature. 526(7574):564-568. http://dx.doi.org/10.1038/nature15695
