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由于缺乏准确复制人类骨髓复杂性的合适模型，阻碍了我们对正常和癌症血细胞发育的理解和新疗法的测试。 今天小学社为大家带来的这篇28分的文章中，研究人员描述了一种从诱导多能干细胞中产生骨髓类器官的方法，该方法模仿了人类骨髓的关键特征。该类器官成功地支持了来自血液恶性肿瘤患者的细胞的生长和生存，使它们成为研究血液恶性肿瘤和骨髓疾病的潜在工具。一起来学习一下吧！ 
骨髓微环境在维持和调节血细胞的产生方面起着关键作用。这种微环境的破坏会导致血液肿瘤和骨髓衰竭的发生。然而，在人类疾病的背景下建立这些功能障碍的模型是具有挑战性的，因为目前的体外和动物模型在准确再现骨髓复杂的相互作用和成分方面有局限性。目前急需改进体外培养系统，以更好地了解造血和骨髓恶性肿瘤的机制。 研究人员旨在开发一个类似人类骨髓的类器官，模仿骨髓的结构和功能，支持造血细胞的生长和存活。这个由诱导多能干细胞（iPSC）生成的类器官系统为研究疾病机制、药物开发和减少对动物模型的依赖提供了一个可扩展和可操作的模型。研究人员对该类器官使用成像技术和单细胞RNA测序进行了验证，它们成功地支持了健康和恶性造血细胞的共培养，允许筛选潜在的骨髓纤维化抑制剂。 
1. 含I型和IV型胶原的混合基质水凝胶能够促进骨髓类器官的血管网络形成 在这项研究中，研究人员优化了培养方案，使用了人类诱导多能干细胞（iPSC）和含有基质胶的混合基质水凝胶。首先，iPSC形成聚合体，然后这些聚合体被嵌入到水凝胶中以诱导血管生长。12天后，收集和培养新芽以形成骨髓类器官（图1A-B）。在生成血管化的人类骨髓类器官的背景下，研究人员比较了不同水凝胶成分对基质、内皮和骨髓系统形成的影响。他们发现，同时含有I型和IV型胶原蛋白的混合基质水凝胶能够导致类器官具有更大的骨髓细胞和间充质干细胞（MSC）种群（图1C-D）。 此外，研究人员通过测量内皮细胞的萌芽来评估类器官的血管化，发现与I型和I+IV型胶原蛋白水凝胶相比，IV型胶原蛋白水凝胶的萌芽半径较小，某些内皮细胞标记物的密度较低。共聚焦成像显示，整个器官中存在复杂的血管网络，其中有造血干细胞、巨核细胞和红细胞与内皮细胞紧密相连，类似于人体骨髓的结构（图1E-J）。 
图1 2. VEGFC能够诱导类器官中的血管特化为骨髓窦状体的表型 在使用胶原蛋白I型和IV型混合基质水凝胶成功生成3D血管网络后，研究人员旨在优化生长因子的支持，以创建类似于骨髓窦的类器官脉络。他们测试了在血管萌芽阶段添加VEGFC的效果，VEGFC是一种参与血管形成的关键生长因子。添加VEGFC导致FLT4（VEGFR3）、粘附分子和与HSPC相关的生长因子的表达增加，表明在器官中诱导出了类似骨髓的血管表型，通过免疫染色得到证实（图2A-C）。 研究人员还研究了巨核细胞与窦状内皮的关联，它们将原血小板延伸到血管腔内，最终在剪切力作用下产生血小板芽。骨髓的冷冻切片及免疫荧光染色被用来支持这些观察（图2D-I）。 
图2 3. scRNA-seq证实类器官内的造血细胞和基质细胞与人类造血组织具有转录同源性 为了将类器官的细胞类型和分子谱与人类造血组织进行比较，研究人员对类器官的细胞进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）。这项分析揭示了关键造血和基质细胞亚型的不同群体，包括HSPC、红细胞、中性粒细胞、单核细胞、巨核细胞、嗜酸细胞/嗜碱细胞/肥大细胞、成纤维细胞、内皮细胞和间质细胞。还确定了与这些细胞类型相关的特定基因的表达，提供了对器官的组成和特征的深入了解（图3A-C）。使用力导向图（FDG）进行的轨迹分析显示，骨髓类器官中的细胞表现出造血髓系分化的三种主要路线，与在人类骨髓中观察到的情况相似。 此外，对基质细胞群的分析显示，内皮细胞和间充质干细胞/成纤维细胞的分化路线不同，这与基于以往知识的预期一致（图3D-E）。为了评估骨髓类器官和人类造血组织的相似性，研究人员将类器官的基因表达谱与成人骨髓和胎儿肝脏和骨髓的现有scRNA-seq数据集进行了比较。分析显示，类器官衍生的细胞与人类骨髓中发现的各种细胞类型之间存在明显的重叠，包括HSPC、骨髓亚群、成纤维细胞/MSC和内皮细胞（图3F）。 
图3 
4. 骨髓类器官再现造血细胞、内皮细胞和基质细胞之间的细胞和分子相互作用 研究人员调查了人类骨髓类器官内不同类型细胞之间的细胞和分子相互作用。类器官中细胞的基质支持元素，如间充质干细胞和成纤维细胞，显示出与人类骨髓中的对应细胞非常相似，表明有高度的转录相似性（图4A-C）。他们分析了受体和配体的表达，并确定了造血细胞和基质细胞区间内部和之间的复杂通信网络。结果显示，MSC、成纤维细胞、内皮细胞和单核细胞之间有很强的自分泌和旁分泌相互作用，突出了器官中这些细胞亚型之间复杂的相互作用。 为了研究在骨髓类器官的分化过程中加入VEGFC的效果，研究人员比较了只用VEGFA和VEGFA+C处理的类器官所产生的内皮细胞的基因表达谱。他们发现，来自VEGFA+C类器官的内皮细胞表现出更高的与骨髓窦道内皮相关的标记物的表达。此外，VEGFA+C类器官中的其他细胞亚群显示出关键调节途径的上调，包括TGF-β1信号传导和CXCL12信号传导（图4D-H）。 上述结果表明骨髓类器官基质中的造血细胞和基质成分之间的交流网络在患者骨髓中发现的类似。在类器官基质细胞中检测到的造血支持因子在蛋白质水平上的表达证实，类器官自然分泌多种生长因子，可以支持造血，而不需要外部提供细胞因子或生长因子（图4I-J）。 
图4 5. 骨髓类器官模拟血液肿瘤中出现的TGF-β诱导的骨髓纤维化，为抑制剂的筛选提供体外平台 病理性的造血机制重塑是多种血液系统恶性肿瘤中常见的现象，会导致骨髓纤维化。这种纤维化是由造血细胞产生过多的促纤维化细胞因子，特别是TGF-β引起的，导致胶原蛋白和网状蛋白纤维在骨髓基质中沉积。在这项研究中，研究人员通过用不同剂量的TGF-β处理类器官，研究类器官是否能模拟病理性的骨髓纤维化，结果发现TGF-β处理导致纤维化标志物的表达增加，胶原蛋白沉积和血管化减少，类似于在骨髓纤维化患者身上观察到的变化（图5A-G）。 研究人员调查了两种潜在抑制剂SB431542和JQ1在治疗骨髓类器官纤维化方面的有效性。他们发现，这两种化合物都能抑制可溶性IL11的表达，这是纤维化的一个标志物，并使ACTA2和COL1A1的过表达正常化，这与成纤维细胞的激活有关。这些发现表明，骨髓类器官可以作为研究和筛选治疗恶性骨髓纤维化的潜在药物的宝贵模型（图5H-J）。 
图5 6. 与来自骨髓纤维化患者的细胞共培养后出现类器官纤维化现象 在建立了与患者骨髓的相似性之后，研究人员假设，这些类器官可以支持来自血液恶性肿瘤患者的原始细胞的共培养。这将允许对癌细胞和周围基质之间的相互作用进行建模，并有可能进行个性化的细胞毒性筛选。结果显示，共培养表现出可溶性TGF-β水平的升高，胶原蛋白I和αSMA的表达增加，表明发生了纤维化。此外，在共培养模型中，内皮细胞相关基因和血管的表达也有所下降（图6A-I）。患者来源的CD34阳性HSPC在骨髓类器官内进行共培养。14天后，类器官中的细胞亚群显示出骨髓分化，不同的免疫表型表明红细胞、骨单核细胞和巨核细胞的发展（图6J）。 研究人员将来自骨髓纤维化患者的细胞与类器官共培养，以筛选潜在的纤维化抑制剂。他们用不同的抑制剂处理类器官，发现只有JQ1能将纤维化标志物COL1A1的表达恢复到正常水平，并明显减少另一种纤维化标志物αSMA。这些发现表明，JQ1可能是治疗骨髓纤维化患者纤维化的一个潜在治疗选择（图6K-M）。 
图6 7. 骨髓类器官支持一系列血液恶性肿瘤原代细胞的移植、存活和增殖 研究人员比较了不同类型的癌细胞（多发性骨髓瘤、ALL和Xeno iALL）在类器官中的生存和生长情况。他们发现，与在液体培养基或三维共培养系统中培养的细胞相比，移植在类器官中的癌细胞显示出明显更高的活力和增殖率。此外，类器官保持了来自骨髓瘤患者的浆细胞的原始特征，表明了它们作为研究造血和癌症模型的潜力（图7）。 
图7
综上所述，在这项研究中，研究人员开发了一种方法来创建血管化的骨髓类器官，准确地模仿了骨髓的细胞和分子特征。这些有机体可被用于模拟骨肿瘤的相关变化和骨髓纤维化。这项研究为了解癌症对骨髓环境的影响提供了一个宝贵的工具。 参考文献： Khan AO, Rodriguez-Romera A, Reyat JS, et al. Human Bone Marrow Organoids for Disease Modeling, Discovery, and Validation of Therapeutic Targets in Hematologic Malignancies. Cancer Discov. 2023 Feb 6;13(2):364-385. 来源：类器官学社 |
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