类器官培养指南
—— 一篇全面的文章，以加深你对类器官的理解
类器官导论
类器官是在体外培养的三维细胞培养物，通过三维培养技术模仿体内正常（或病变）器官或组织的三维结构和生理功能。简而言之，类器官是一种三维细胞培养，其中干细胞在基质凝胶中培养，并在化学抑制剂/激活剂、细胞因子、培养添加剂等物质的影响下，发展成类似于相应器官的组织结构。
类器官特点
类器官具有自我更新的能力，并且能够维持来源组织的生理结构和功能，因此它们被誉为“培养皿中的微型器官”。利用干细胞的自我更新、分化和自我组织能力，类器官可以被冷冻保存，用作生物样本库，并且可以无限扩展。与二维细胞培养相比，类器官结构高度复杂，更接近于体内状态。
Figure 1 Organoid Culture of Human Colon Adenocarcinoma Cells
类器官应用
类器官在分子和细胞生物学分析中提供了多种优势，弥合了动物和细胞水平之间的差距，并为肿瘤研究、药物筛选和再生医学等领域的研究提供了更好的解决方案。它们已广泛应用于功能组织诱导、疾病模型建立、药物筛选、抗炎测试和临床研究等多个研究领域，显示出在基础研究和转化应用中的巨大潜力。
随着类器官培养系统和实验技术的不断发展，类器官已被用于培养各种组织和器官，包括肠（小肠/结肠）、胃、肝脏、心脏、肺、前列腺、胰腺、肾脏、乳腺、类脑结构、视网膜和内耳。
从肿瘤干细胞衍生的类器官也开始在理解肿瘤发生和发展的机制、筛选药物敏感性以及促进精准医疗和个性化诊断治疗方面展现出巨大的潜力。发表在《细胞》和《科学》杂志上的几项研究表明，类器官在预测抗癌药物的有效性方面表现出高灵敏度和特异性。最近，肿瘤类器官在预测患者对抗癌药物的反应和帮助制定个性化治疗方案方面显示出希望。
1、发育机制研究：可以利用类器官的分化能力来研究胚胎发育过程及其机制。通过Wnt和BMP等信号通路调节的诱导过程可以用来研究类脑结构、胰腺和胃等器官的发育。
2、疾病损伤模型建立：通过类器官诱导的特定组织或器官可以用来研究特定疾病模型。赵冰和林新华团队使用人类来源的类器官感染模型来研究SARS-CoV-2感染和肝损伤的分子机制，为SARS-CoV-2的致病机制研究和随后的药物开发提供了重要的工具。
北京大学生命科学学院邓红飚领导的研究小组使用小分子和细胞因子刺激构建了一种具有损伤再生特性的新型肠道类器官——超级类器官。这种类器官具有长期传代和扩增的特点，同时保持基因组，促进结肠组织修复，并在急性结肠炎动物模型中减轻病理症状。
3、再生医学：干细胞衍生的类器官可以修复或替换受损或病变的组织，以恢复正常组织功能，在各种神经退行性疾病、糖尿病、心血管疾病、视网膜疾病和脊髓损伤的细胞治疗中有着广泛的应用。
作为再生医学领域的新治疗方式——DA01，使用小分子SB-431542、LDN193189、CHIR-99021和Y-27632，以及Sonic Hedgehog（Shh）蛋白，刺激多能干细胞分化为多巴胺能神经元，并将它们移植到晚期帕金森病患者大脑的受损区域，为这种疾病的治疗提供了新的方向和思路。
4、药物毒性和疗效测试：类器官可以用来验证新药在特定器官或组织中的药理毒性，为药物开发提供数据支持。
Hyman肾脏类器官可以用来验证顺铂的肾毒性。
5、药物筛选：来自干细胞的类器官可以用于体外药物反应测试，为药物筛选提供理论支持。
结肠类器官可以用来研究CFTR突变患者的药物治疗策略，肿瘤类器官可以用来评估患者的个性化药物治疗。
类器官的发育过程
类器官的来源
正常的类器官主要来源于干细胞，包括多能干细胞（PSCs）和成体干细胞（ASCs）。多能干细胞包括胚胎干细胞（ESCs）和诱导多能干细胞（iPSCs）。与多能干细胞相比，成体干细胞的优势在于它们的建模过程更简单、更快速，但缺点是它们构建的类器官结构相对简单。由多能干细胞构建的类器官结构更为复杂。
类器官培养
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Organoid Culture |
Required Small Molecule Compounds |
Required Growth Factors |
Culture Media and Additives |
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Small Intestine |
Y-27632、SB-202190、A 83-01、Gastrin、Nicotinamide |
EGF、Noggin、R-Spondin 1、Wnt-3a |
HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin、N-2 |
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Y-27632、SB-202190、A 83-01、Gastrin I、Nicotinamide |
FGF-10、EGF、Noggin、R-Spondin 1、Wnt-3a |
HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin、N-2 |
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Liver |
Y-27632、A 83-01、DAPT、Forskolin、Gastrin、Nicotinamide、Prostaglandin E2 |
BMP-4、EGF、FGF-basic 、FGF-10、HGF、Noggin、Wnt-3a |
N-2、HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin |
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CHIR-99021、Retinoic Acid |
BMP-2、BMP-4、BMP-7、FGF-basic、FGF-9 |
HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin |
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CHIR-99021、SB-431542 |
Activin A、FGF-basic、FGF-4、Noggin |
HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin |
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Gastrin I、A 83-01、Nicotinamide |
FGF-10、EGF、Noggin、R-Spondin 1、Wnt-3a |
HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin |
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Y-27632、SB-202190、A 83-01、Nicotinamide、Prostaglandin E2、Testosterone |
EGF、Activin A、FGF-basic、FGF-10、Noggin、R-Spondin 1、Wnt-10b |
HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin |
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Y-27632 |
Here gulin β-1、R-Spondin 1、R-Spondin 2、Noggin、EGF、 FGF-basic、FGF-10、Wnt-3a、Prolactin |
HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin |
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CHIR-99021、Y-27632 |
SHH、Wnt-3a |
HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin |
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Inner Ear |
SB-431542、A 83-01 |
BMP-4、 FGF-basic |
HEPES、L-alanyl-L-glutamine solution、Penicillin-Streptomycin |
类器官培养中常用的小分子总结：非常实用，记得收藏！
1、Y-27632：Rock的强效抑制剂，靶向p160ROCK和ROCK-II。在初始培养基中使用，因其增强细胞活性和克隆效率的作用。
推荐工作浓度：10 μM
2、SB-202190：p38 MAPK激酶的有效抑制剂，诱导人类胚胎干细胞分化为心肌细胞，促进神经干细胞自我更新。
推荐溶解浓度：10 mg溶于3.018 mL的DMSO中以达到10 mM，储存于-20°C。
推荐工作浓度：10 μM
3、CHIR-99021：GSK-3抑制剂，诱导人类胚胎干细胞分化为内胚层。用于肾脏和视网膜类器官培养。
推荐溶解浓度：5 mg溶于3.58 mL的DMSO中以达到3 mM，储存于-20°C。
推荐工作浓度：3 μM
4、A 83-01：Activin/NODAL/TGF-β途径的抑制剂，促进体外细胞自我更新。用于肝脏、前列腺和乳腺类器官培养。
推荐溶解浓度：5 mg溶于5.93 mL的DMSO中以达到2 mM，储存于-20°C。（注意：该产品在溶液中不稳定，应新鲜配制。）
推荐工作浓度：2 μM
5、胃泌素I：用于延长肠道和肝脏类器官培养中类器官的存活时间。
推荐溶解浓度：1 mg溶于2.38 mL的1%氨溶液中以达到0.2 mM，储存于-20°C。
推荐工作浓度：10 nM
6、烟酰胺：参与多种酶促反应的B3维生素，促进类器官培养中细胞的分化。
推荐溶解浓度：100 mg溶于8.19 mL的H2O（或DMSO）中以达到100 mM，储存于-20°C。
推荐工作浓度：10 mM
7、福斯科林：激活腺苷酸环化酶，提高细胞内cAMP水平，诱导多种细胞类型的分化。
推荐工作浓度：1-10 μM
8、前列腺素E2：调节细胞增殖和分化，特别是在肝脏和前列腺类器官培养中。
推荐溶解浓度：1 mg溶于0.28 mL的DMSO中以达到10 mM，储存于-20°C。
推荐工作浓度：500 nM
9、N-乙酰-L-半胱氨酸：具有抗凋亡特性的抗氧化剂前体，大多数类器官培养必需。
推荐溶解浓度：2 g溶于24.51 mL的H2O（或DMSO）中以达到500 mM，储存于-20°C。
推荐工作浓度：1 mM
产品推荐
细胞因子
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Product Name |
Catalog Number |
Specifications |
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Recombinant Human/Mouse/Rat Activin A Protein |
C230520 |
10 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human/Mouse/Rat Activin A Protein |
C230308 |
10 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human Dickkopf-related protein-1,His (Human DKK-1,His ) |
C230321 |
20 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human EGF Protein，His Tag |
C230329 |
100 μg/500 μg |
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Recombinant Human bFGF/FGF-2 Protein |
C230295 |
10 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human FGF-4 Protein |
C230346 |
5 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human FGF-9 Protein, His tag |
C230347 |
5 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human FGF-10 Protein, His Tag |
C230418 |
5 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human GDNF Protein |
C230355 |
10 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human Noggin Protein,His Tag |
C230462 |
5 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human NRG1-beta1 Protein |
C230454 |
10 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human R-Spondin-1 Protein,His (Human RSPO1,His ) |
C230484 |
100 μg/1 mg |
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Recombinant Human Sonic Hedgehog N-Terminus (Human SHH) |
C230493 |
5 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human BAFF Protein, His tag |
C230294 |
5 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human sCD40 Ligand Protein, His tag |
C230487 |
10 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human BMP-4 Protein |
C230310 |
10 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human Hepatocyte Growth Factor (Human HGF) |
C230260 |
5 μg/100 μg/500 μg |
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Recombinant Human BDNF Protein, Flag tag |
C230262 |
5 μg/20 μg/100 μg |