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Cell | 人类胚胎胰腺干细胞的体外扩增与分化

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-12-23 08:49

正文

撰文 | 染色体

人类胰腺是一个由外分泌和内分泌两部分组成的复杂器官，其功能对维持人体消化和代谢的平衡至关重要。外分泌部分主要由腺泡细胞和导管细胞组成，负责分泌消化酶，而内分泌部分则由胰岛中的不同内分泌细胞组成，负责将激素分泌到循环系统中【1】。尽管小鼠模型的研究已经表明，不同类型的胰腺细胞可能来源于一种共同的胰腺祖细胞，但在人类胰腺中，这些细胞的确切来源及其分化过程尚未完全阐明。相关研究进展受限于研究胚胎胰腺组织的难度，以及缺乏能够忠实再现胰腺发育过程的体外模型【2】。

近日，来自荷兰皇家艺术与科学学院（KNAW）Hubrecht研究所的Hans Clevers与Amanda Andersson-Rolf共同在Cell期刊发表题为Long-term in vitro expansion of a human fetal pancreas stem cell that generates all three pancreatic cell lineages（人类胚胎胰腺干细胞体外长期扩增可产生三种胰腺细胞系）的文章。研究人员成功构建了人类胎儿胰腺组织类器官（hfPO），并首次证明了人类胰腺中存在具有三能特性的干细胞/祖细胞。这种技术突破不仅填补了领域内的空白，还为研究胰腺发育机制及相关疾病提供了全新的工具。

基于类器官技术的研究方法为胰腺研究领域带来了全新的契机。类器官是指通过干细胞或祖细胞在体外三维培养条件下形成的类组织结构，能够在一定程度上模仿原始器官的功能和结构【3-4】。通过类器官技术，科学家得以在实验室环境中重建和研究人类器官的发育过程。

hfPO类器官的建立与三能特性揭示

首先，研究团队从妊娠8~17周的人类胎儿胰腺组织中成功建立了18个hfPOs类器官系，这些类器官展现了显著的扩增能力和多潜能性。通过优化培养条件，他们筛选出其中4个能够长期扩增且保持三能特性的类器官系。这些类器官可以分化为腺泡细胞、导管细胞和内分泌谱系细胞，表现出与胎儿胰腺上皮相似的特征。长期培养条件确保了类器官的基因表达稳定性和组织结构完整性，为深入研究人类胰腺祖细胞的功能及发育潜能奠定了基础。随后，研究人员发现，LGR5（Leucine-rich repeat-containing G-protein coupled receptor 5）是人类胎儿胰腺三能干细胞的关键标志物。通过免疫组化、荧光标记和单细胞RNA测序技术，他们确认了LGR5在三能干细胞中的表达特性。单细胞转录组分析进一步揭示，LGR5⁺细胞不仅具有自我更新能力，还可分化为腺泡、导管和内分泌细胞。单细胞克隆实验表明，LGR5⁺细胞可建立类器官并保持三能特性，成为研究胰腺干细胞的突破点。

hfPO类器官的分化潜能与应用前景

在分化实验中，研究人员通过优化培养基中的生长因子和小分子化合物组合，模拟胰腺发育过程中的信号微环境。腺泡分化条件下，类器官中的腺泡细胞表现出特异性标志物（如胰蛋白酶、脂肪酶）的表达，并进一步成熟为具有分泌功能的腺泡细胞。透射电子显微镜显示，这些细胞内部形成了典型的分泌囊泡，与体内腺泡细胞的形态特征一致。在内分泌分化方面，通过调控Notch信号及其他关键发育通路，类器官成功分化出功能性内分泌细胞，可分泌胰岛素、胰高血糖素等激素，表现出与胎儿胰岛细胞类似的功能特性。转录组数据分析显示，hfPO类器官与胎儿胰腺组织在关键基因表达模式上高度一致。这表明，hfPO类器官成功再现了胰腺发育的分子特性和细胞行为，为研究人类胰腺的发育机制提供了可靠的模型。此外，研究还探索了类器官在疾病研究中的潜力。通过基因编辑技术，研究人员在类器官中模拟了胰腺发育缺陷相关的遗传突变，观察到了相应的细胞行为改变和功能缺失。这种体外模型为研究先天性胰腺疾病的发病机制和药物开发提供了新的可能性。

综上所述，该研究首次证明了人类胎儿胰腺中存在具有三能特性的LGR5⁺祖细胞。这些细胞具有自我更新能力，并能够分化为腺泡、导管和内分泌谱系细胞，完整地覆盖了胰腺的主要细胞类型。同时，通过hfPO类器官技术，研究团队建立了一种可以长期扩增并保持发育潜能的体外平台。这一技术突破不仅揭示了胰腺发育的关键机制，还为糖尿病、胰腺癌等疾病的研究和治疗开发提供了重要的工具。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.044

制版人：十一

参考文献

[1] Pan, F.C., and Wright, C. (2011). Pancreas organogenesis: from bud to plexus to gland. Dev. Dyn. 240, 530-565. https://doi.org/10.1002/dvdy.22584.

[2] Chia, C.Y., Madrigal, P., Denil, S.L.I.J., Martinez, I., Garcia-Bernardo, J.,El-Khairi, R., Chhatriwala, M., Shepherd, M.H., Hattersley, A.T., Dunn, N.R., et al. (2019). GATA6 cooperates with EOMES/SMAD2/3 to deploy the gene regulatory network governing human definitive endoderm and pancreas formation. Stem Cell Rep. 12, 57-70. https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2018.12.003.

[3] Thorel, F., Népote, V., Avril, I., Kohno, K., Desgraz, R., Chera, S., and Herrera, P.L. (2010). Conversion of adult pancreatic a-cells to B-cells after extreme B-cell loss. Nature 464, 1149-1154. https://doi.org/10.1038/nature08894.

[4] Collombat, P., Xu, X., Ravassard, P., Sosa-Pineda, B., Dussaud, S., Billestrup, N., Madsen, O.D., Serup, P., Heimberg, H., and Mansouri, A. (2009). The ectopic expression of Pax4 in the mouse pancreas converts progenitor cells into alpha and subsequently beta cells. Cell 138, 449-462. https://doi.org/10.1016/j.cell.2009.05.035.

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