摘要：由于深受实验模型缺失和伦理问题制约，人类现阶段对人体早期胚胎发育情况的研究尚十分有限。近日，科学家通过微创取样从羊水中衍生出不同组织的胎儿上皮类器官，超出了目前从终止妊娠中获得胎儿组织的方式，实现了在小肠、肾小管、肺部类器官的扩展。不仅如此，这些技术手段的进步

华夏源类器官：首次用羊水细胞衍生类器官！《Nature Medicine》：打开孕晚期发育研究思路

由于深受实验模型缺失和伦理问题制约，人类现阶段对人体早期胚胎发育情况的研究尚十分有限。近日，科学家通过微创取样从羊水中衍生出不同组织的胎儿上皮类器官，超出了目前从终止妊娠中获得胎儿组织的方式，实现了在小肠、肾小管、肺部类器官的扩展。不仅如此，这些技术手段的进步，有望帮助医生在胎儿出生前监测和治疗先天性疾病，并为子宫内的胎儿开发个性化疗法创造契机。

先天性疾病是在胚胎发育过程中，由于遗传、环境因素或偶然因素导致的结构或功能异常。

尽管现代医学在遗传学和影响学的技术发展已相当先进，但对于先天异常的严重程度的准确预测尚具有挑战性。缺乏发育中的人类组织的自体模型，仍是该领域发展的瓶颈。

受法律问题、伦理问题的影响，目前用于妊娠建模的类器官方法大多是采用死后的胎儿组织，且只能在受孕后20-22周内使用，在一定程度上限制了对孕晚期发育的深入研究。

近日，一项发表在《Nature Medicine》（影响因子IF=82.90）的研究报告[1]表示：科学家们可以从羊水样本中收集的细胞，生成多种不同组织类型（小肠、肾小管、肺等）的类器官，而且无需终止妊娠。

△ 2024年3月5日，伦敦大学学院的研究人员在 Nature Medicine 期刊发表了题为：Single-cell guided prenatal derivation of primary fetal epithelial organoids from human amniotic and tracheal fluids 的研究论文，是首次利用妊娠期羊水细胞培养类器官的大胆尝试。

这是首次利用妊娠期间采集的细胞衍生出类器官。

利用这一类器官研究模型，有效提供深入了解孕晚期发育的手段，有助于对先天性畸形的研究，开辟产前医学的新领域。这些技术手段的进步，有望帮助医生在胎儿出生前监测和治疗先天性疾病，并为子宫内的胎儿开发个性化疗法创造契机。

01

羊水细胞衍生类器官

开辟产前医学新领域

类器官技术的出现，让人体的主要器官和组织可以高度模拟地被“复制”出来。在过去，通过人类废弃的围产组织生物样本中，可以获得一些主要器官的干细胞，进而衍生出对应的类器官模型。然而，这些方法在产前模型、诊断和再生医学的应用却受到了限制。

组织特异性胎儿干细胞的分离和原代类器官的衍生仅限于终止妊娠获得的样本，这阻碍了胎儿发育和先天性疾病的产前检查。因此，需要新的患者特异性体外模型。

为此，在怀孕期间分离和扩增胎儿干细胞，而不需要组织样本或重新编程，将是有利的。幸运的是，羊水（amniotic fluid，AF）或许可以作为多个器官发育的细胞来源，科学家们一下思路全开。

为了克服这些问题，伦敦大学学院（UCL）和戈什大学的研究人员假设，有可能从进入羊水的干细胞中培养类器官，羊水在子宫中包围着胎儿，并在怀孕期间保护胎儿。由于在采集过程中不会接触到胎儿，采样限制将被克服，细胞将携带与胎儿相同的生物信息。

今年3月4日，研究团队提出了从妊娠中期和晚期产前诊断和治疗干预中收集的羊水中提取具有多种组织身份的人类胎儿上皮细胞，并用于构建类器官的方法。通过这种方式，将研究模型推进至妊娠22周以后，使得类器官的生成可以与妊娠得以同时进行。

△ 对羊水来源的细胞的单细胞分析。

研究人员收集了来自12个孕妇的羊水样本，并使用荧光活化细胞分选（FACS）技术分离出具有完整细胞膜的活性核细胞。然后，以羊水作为来源，通过单细胞RNA测序（scRNA-seq），分析鉴定并分离了胎儿消化道、肾脏和肺部起源的上皮干/祖细胞。

接着，研究人员使用单细胞基因集富集分析（scGSEA）探索了羊水上皮细胞簇中特定的消化道、肾脏和肺部特征。最后，他们对这些细胞进行了经典的组织特异性前体标记物评分，指示了羊水中存在消化道、肾脏和肺部上皮前体细胞的存在。

△ 原发性胎儿上皮AFO的产生。肺（青色）、小肠（紫色）、肾脏（绿色）和胃（红色）样本产生的原代胎儿组织衍生的对照类器官。

这些细胞在培养后能够形成克隆性上皮器官样体，展现出与其起源组织相对应的转录组、蛋白表达和功能特征。

随后，研究人员将羊水中的活性细胞种植在Matrigel（基质胶）中，并在一个通用的上皮细胞培养基中培养它们，没有特定于组织的信号。随着时间的推移，个体羊水细胞开始增殖和自组织形成3D羊水类器官模型（AFOs），可在2周内观察到。

△ 羊水类器官模型的推导和表征。

羊水类器官模型的成功培育，一方面显示出广泛可用的样本，并且无需终止妊娠，大大提升了培养建模的可行性；另一方面，只需要较少的操作，相较于之前iPSC技术衍生类器官的方式，这种流程将培育时间从5-9个月缩短至4-6周，具有明显的时间优势。更为重要的是，羊水类器官直接从胎儿羊水细胞中提取，类似胎儿组织，避免了复杂的操作和冗长的分化方案，提升了组织的保真度，提升了用于产前疾病建模和靶向治疗的适用性。

△ 从羊水中收集的细胞构建的肺类器官。

△ 从羊水中收集的细胞构建的肠道类器官。

△ 从羊水中收集的细胞构建的肾脏类器官。

伦敦大学学院外科和介入科Mattia Gerli博士，也是本研究的第一作者表示，“我们从羊水细胞中创造的类器官展示了它们所代表的组织的许多功能，包括基因和蛋白质表达。它们将使我们能够研究在健康和疾病的发育过程中发生了什么，这在以前是不可能的。我们对人类晚期妊娠知之甚少，因此开辟产前医学的新领域令人无比兴奋。”

02

类器官用于先天性疾病建模

有望实现个性化治疗新突破

类器官技术在模拟和研究人类发育过程中的先天性疾病方面显示出巨大的潜力。通过利用类器官，研究人员能够深入理解特定疾病的发病机制，并探索新的治疗方法。

研究小组除了从小肠、肾脏、肺这三种上皮细胞中培育出类器官之外，本研究的一个主要应用是在先天性膈疝胎儿的羊水和气管液细胞中成功培养出肺部器官样体，这些器官样体能够重现疾病的某些特征。

这一成果对于模拟胎儿发育期间的不同组织、疾病建模以及个性化的胎儿治疗工具和再生医学策略的研究具有重要意义，为寻求先天性疾病的个性化治疗开辟了新思路。Mattia Gerli博士表示，许多先天性疾病都涉及上皮组织，因此，由此产生的类器官与研究此类疾病息息相关。

先天性膈疝（CDH）是一种在婴儿中发现的先天性缺陷，其中膈肌（分隔胸腔和腹腔的肌肉）未能正确形成，导致腹部器官移位到胸腔，影响肺部发育。约30%的患有这种疾病的胎儿会死亡。如果医生及时发现这种疾病，可以在胎儿还在子宫内时对其进行手术治疗。

△ 先天性隔疝在羊水类器官模型的产生、分化和表征。

使用羊水细胞培养的类器官，特别适合用于研究先天性和发育性疾病，如先天性心脏病和遗传性疾病。由于类器官能够复制人体器官的关键结构和功能，使其成为研究先天性疾病的理想工具。

羊水类器官的培育技术为个性化医学和再生医学的发展提供新的途径。

通过使用类器官技术，科研团队成功地从患有CDH的患者羊水细胞中培养出肺类器官。这些肺类器官在结构和功能上都展现了CDH的特征性变化，为研究人员提供了一个独特的视角，以观察疾病是如何影响肺部发育的。

此外，这为个性化治疗工具和再生医学策略的调查提供了可能性；也为测试可能的干预措施提供了机会，包括药物治疗和基因疗法，旨在纠正发育异常并恢复正常的器官功能。

总而言之，随着类器官技术的不断精进与相关疾病的深入研究，科学家可以通过从受影响的个体中获取细胞，并在实验室中培养成特定的器官结构，观察疾病是如何影响器官发育的。这种创新研究模型，这种方法不仅能够展示疾病在分子和细胞层面的影响，还切实提供了不同于以往的人体或动物模型，减少了伦理制约，突破了技术局限，使得类器官在药物测试、基因编辑、个性化治疗等方面显示出巨大潜能，为再生医学研究打开大门。

Write in the last

写在最后

从2009年Hans Clevers教授发现肠道类器官至今，每一次类器官技术的新突破，宛如飓风骇浪，在再生医学领域掀起阵阵讨论热潮。除了胃、肠、肺、膀胱、大脑、肝脏、心脏等重要脏器类器官被成功构建之外，肿瘤组织的类器官亦如火如荼，并在此基础上开展分子功能实验、药物筛选实验等，类器官在科研领域也发挥着越来越重要的作用。类器官技术的进步，不仅促进了医学研究的进步，颠覆人们对传统医学的认知，而且为提高人类健康水平和生活质量也做出了积极贡献，显示再生医学的无穷能量。

参考文献：

[1] Mattia Francesco Maria Gerli, Giuseppe Calà, et al. (2024). Single-cell guided prenatal derivation of primary fetal epithelial organoids from human amniotic and tracheal fluids. Nature Medicine.04 March 2024， doi.org/10.1038/s41591-024-02807-z.

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来源：鉴赏科学