Cell Stem Cell | 突破器官移植难题，细胞竞争微环境推动功能性器官产生

　　撰文 | 春晓

　　责编 | 兮

　　干细胞技术为移植器官短缺这一严重问题带来了福音，近年来，组织特异性细胞以及类器官领域都取得了重大进展【1,2】，但仍有巨大的挑战摆在我们面前，就是在培养皿中重建整个器官。Nakauchi教授团队前期实现了在体内从多能干细胞 （PSCs） 中产生功能完全的异种器官【3-5】。但是，功能性人体器官还是个难题。

　　介导哺乳动物产前和产后生长的关键因子Igf1 （insulin-like growth factor 1，胰岛素样生长因子1） 通过组织中广泛表达的Igf1受体 （Igf1r） 发挥作用，调节有丝分裂、抗凋亡和转化途径。Igf1r受损会导致生长迟缓，甚至新生儿死亡【6,7】。

　　近日，来自东京大学和斯坦福大学中内启光（Hiromitsu Nakauchi） 领导的研究小组在Cell Stem Cell杂志上发表题为Generation of Functional Organs Using a Cell Competitive Niche in Intra- and Inter-species Rodent Chimeras的研究论文，在这篇研究论文中，作者证明小鼠宿主胚胎中Igf1r的缺失营造了一种“细胞竞争微环境”（cell-competitive niche），大大增加了种内和种间啮齿类动物嵌合体中的供体嵌合体。重要的是，Igf1r 缺失并不影响早期胚胎发育。通过改变细胞竞争微环境可在嵌合体中产生功能性器官。因此，作者的发现可能为中间嵌合体体内的功能性器官生成，乃至人类器官移植带来重大贡献。

　　作者首先用CRISPR/Cas9产生Igf1r缺失的小鼠（图1），通过该对该小鼠的研究，发现供体细胞主要在 Igf1r 缺失的小鼠胚胎中增殖。作者认为，可能的原因是敲除 Igf1r 后，能够在多个器官中创造一种竞争性的微环境，从而使得小鼠种内和小鼠/大鼠种间供体的嵌合体从胚胎第11天开始就不断增加。

　　图1. Igf1r缺失小鼠实验流程

　　其中有趣的是，从Igf1r缺失嵌合体的大体外观和身体各部分比例的一致性来看，宿主和供体组织在发育过程是协调生长的。更厉害的是，这种Igf1r敲除所营造的竞争性微环境使得小鼠嵌合体中几乎完全诱导供体来源的器官。比如作者发现，在Igf1r缺失的小鼠中，供体细胞完全可以产生所有的肾和肺的完整组分（图2）。

　　另外一项重要的发现是，Igf1r缺失并不影响早期的胚胎发育过程，因此作者认为，可以通过囊胚互补产生具有高水平器官嵌合体的种间胚胎，目前，通过囊胚互补的种间器官已经成功在啮齿动物中产生，但是在进化上更遥远的物种中还没有成功，还有待进一步的探索。

　　图2. 细胞竞争微环境推动器官生成的示意图

　　这项工作提出了细胞竞争微环境促进体内器官产生的新概念，通过Igf1r敲除来开放细胞竞争微环境，有如下三个重要过程：1）在种内和种间嵌合胚胎的发育后期逐渐增加供体细胞的贡献，2）通过在后期发育阶段增加系统嵌合体来防止早期发育停滞，3）产生整个供体来源的器官，通过取代细胞竞争微环境中的宿主细胞而在种内嵌合体中表达（图2）。

　　作者相信自己提出的这种策略可以推动在进化上不同的物种间器官竞争微环境中人体器官的产生。当然，在嵌合体实验中，作者注入的细胞数量及异质性可能对结果也有影响，此外，由于每个胎儿的发育阶段也略有不同，因此也不能排除这种差异对捐助者嵌合体的影响等问题。

　　总之，这项新成果将有助于我们对胚胎发育中细胞-细胞相互作用的理解，对于模拟疾病、探索发育生物学的机理、以及最终生成用于移植的人体器官都具有重要的启发。

　　https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.11.019

　　制版人：十一

　　参考文献

　　1. De Luca, M., Aiuti, A., Cossu, G., Parmar, M., Pellegrini, G., and Robey, P.G. (2019). Advances in stem cell research and therapeutic development.Nat. Cell Biol.21, 801–811.

　　2. Takebe, T., and Wells, J.M. (2019). Organoids by design.Science364, 956–959.

　　3. Goto, T., Hara, H., Sanbo, M., Masaki, H., Sato, H., Yamaguchi, T., Hochi, S., Kobayashi, T., Nakauchi, H., and Hirabayashi, M. (2019). Generation of pluripotent stem cell-derived mouse kidneys in Sall1-targeted anephric rats.Nat. Commun.10, 451.

　　4. Kobayashi, T., Yamaguchi, T., Hamanaka, S., Kato-Itoh, M., Yamazaki, Y., Ibata, M., Sato, H., Lee, Y.-S., Usui, J., Knisely, A.S., et al. (2010). Generation of rat pancreas in mouse by interspecific blastocyst injection of pluripotent stem cells.Cell142, 787–799.

　　5. Yamaguchi, T., Sato, H., Kato-Itoh, M., Goto, T., Hara, H., Sanbo, M., Mizuno, N., Kobayashi, T., Yanagida, A., Umino, A., et al. (2017). Interspecies organogenesis generates autologous functional islets.Nature542, 191–196.

　　6. Baker, J., Liu, J.P., Robertson, E.J., and Efstratiadis, A. (1993). Role of insulin like growth factors in embryonic and postnatal growth.Cell75, 73–82.

　　7. Liu, J.P., Baker, J., Perkins, A.S., Robertson, E.J., and Efstratiadis, A. (1993). Mice carrying null mutations of the genes encoding insulin-like growth factor I (Igf-1) and type 1 IGF receptor (Igf1r).Cell75, 59–72.