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苏佳灿教授团队2023年论文合集:类器官与器官芯片专题

首页 » 产业 » 快讯 2024-01-24 转化医学网 赞(226)
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导读
类器官是一种模拟器官结构和功能的微型简化体外模型系统,由于其在疾病建模、药物筛选、个性化医学和组织工程中的应用前景广阔,引起了人们的极大兴趣。

1.人工智能驱动的类器官构建、分析与应用 


Bai L, Wu Y, Li G, Zhang W, Zhang H, Su J. AI-enabled organoids: Construction, analysis, and application. Bioact Mater. 2023 Sep 16;31:525-548. doi: 10.1016/j.bioactmat.2023.09.005 PMID: 37746662 PMCID: PMC10511344

类器官是一种模拟器官结构和功能的微型简化体外模型系统,由于其在疾病建模、药物筛选、个性化医学和组织工程中的应用前景广阔,引起了人们的极大兴趣。尽管在类器官构建方面取得了巨大成功,但它们自组装的复杂性以及高通量数据分析仍然存在挑战。引入人工智能(AI)用于类器官体外构建,有望加速类器官的开发和临床应用,从而彻底改变该领域。本文旨在深入探讨类器官和AI的交汇点,特别是在高度复杂的自组装与高通量数据分析方面。首先,笼统地概述了类器官在疾病建模、药物筛选、精准医学及组织工程中的广泛应用以及面临的数据处理和自组装的挑战。其次,回顾了AI的发展轨迹、分类,并集中于其在医学应用中的价值。文章主旨在于明确AI如何具体促进类器官研究的高度精细化和个性化,从算法设计到数据解析,揭示AI在该领域内的本质贡献。最后,扼要分析了AI驱动的类器官模型在推动精准医学与组织工程方面的优势与局限。该综述旨在为类器官与AI领域的融合提供一个全面、严谨而深入的分析概括。

2.用于骨类器官构建的水凝胶:从物质生物学的角度 (ESI高被引)


Shunli Wu, Xianmin Wu, Xiuhui Wang, Jiacan Su. Hydrogels for bone organoid construction: From a materiobiological perspective. J Mater Sci Technol. Volume 136, 10 February 2023, Pages 21-31

骨类器官是基于组织工程技术在体外模拟和构建具有复杂生物功能的一种特殊器官模型,为骨再生医学的发展提供了极为现实的模型,并为新的治疗策略开发奠定了基础。组织和细胞周围的细胞外基质(ECM)微环境在骨类器官的构建中起着关键作用。传统上,市售的Matrigel基质胶已广泛应用于类器官培养。然而,Matrigel仍然面临着诸多挑战。为了解决这些问题,新开发的水凝胶成为骨类器官培养替代基质的合适候选物。本文综述了基于ECM在骨类器官培养中的发展及其局限性,并重点介绍了各种水凝胶替代品,包括聚乙二醇、胶原蛋白、海藻酸盐、明胶、壳聚糖、皮肤丝蛋白和DNA水凝胶。这些水凝胶在骨组织工程和类器官培养中显示出良好的应用前景。本文还深入研究了水凝胶中材料特性(刚度、粘弹性、电荷等)对细胞培养和骨类器官培养的影响。最后,本文预测水凝胶基生物材料在骨类器官的构建和应用方面具有很大的潜力。

3.肠道类器官及类器官细胞外囊泡用于炎症性肠病的治疗


Han Liu, Jinru Sun, Mingkai Wang, Sicheng Wang, Jiacan Su, Can Xu. Intestinal organoids and organoids extracellular vesicles for inflammatory bowel disease treatment. Chemical Engineering Journal 2023 Vol. 465 Pages 142842.

炎症性肠病(IBD)以腹痛、腹泻和血便为特征,是一种慢性易复发的肠道炎症性疾病。IBD的病因和发病机制十分复杂,尚未完全明了。现有的IBD临床治疗效果也非常有限。因此,迫切需要寻找一种新的诊断和治疗方法。肠道类器官已广泛用于肠道疾病建模、药物开发和筛选、宿主-微生物相互作用以及肠道生物学和发育;而肠道类器官外囊泡(OEV)是一种很有前途的纳米载体,具有更接近天然组织的生理条件域组织结构,可以参与一系列生理和病理过程。因此,开发肠道类器官和肠道类器官细胞外囊泡在IBD治疗中具有重要意义。本文首先概述了IBD 的种类、特征和当前治疗方法。然后全面介绍了肠道类器官的传统和最新构建策略。随后总结了肠道类器官在IBD慢性并发症、黏膜损伤与修复、肠道微生态探索、IBD治疗等方面的应用。重要的是,我们首次使用OEV来表示类器官细胞外囊泡,并总结了OEV 的生物发生、结构、组成、内化和分离机制。与传统EVs相比,OEVs数量更多,生理效应更好,可用于治疗相关疾病,包括癌症、视网膜疾病和脑部疾病等。基于此,我们创新性地提出了一种使用 OEV治疗IBD的新策略。

4.理想的软骨类器官构建体系:DNA水凝胶载细胞外囊泡 


Ma Z, Wu Y, Li G, Liu J, Geng Z, Su J. Extracellular vesicles-loaded DNA hydrogels: A promising candidate for cartilage organoids engineering. Chemical Engineering Journal. 2023 Dec 1; 477; 147146. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147146

骨关节炎等涉及关节软骨退变的疾病一直以来是严重威胁全球人类健康的公共卫生问题。近年来,体外培育软骨类器官(CORGs)逐渐成为软骨组织工程和再生医学的新范式,在研究软骨发育生物学、疾病病理学、药物筛选等方面潜力巨大。过去的几十年里,功能性生物材料如水凝胶作为人工细胞外基质被广泛应用于CORGs构建。其中DNA基水凝胶具有良好的生物相容性、生物降解性、智能可编程性以及高度的细胞亲和力,因此,被认为是一种优秀的候选材料。随着再生医学领域的飞速发展,基于细胞外囊泡(EVs)的无细胞疗法在治疗包括骨关节炎在内的一系列退行性疾病中展现出广阔的应用前景。本综述基于水凝胶与EVs调节细胞行为的生物学效应,创新性提出DNA水凝胶载EVs的CORGs培养体系并对其构建策略及应用场景进行展望,为CORGs在组织医学领域的应用提供了极富潜力的生物工程手段和研究方向。

5.骨/软骨类器官芯片:构建策略及应用


Hu Y, Zhang H, Wang S, Cao L, Zhou F, Jing Y, Su J. Bone/cartilage organoid on-chip: Construction strategy and application. Bioact Mater. 2023 Jan 20;25:29-41. doi: 10.1016/j.bioactmat.2023.01.016. PMID: 37056252; PMCID: PMC10087111.

骨/软骨相关疾病模型的必要性已广为人知,但离体细胞培养、动物模型和真实人体之间的障碍几十年来一直悬而未决。 类器官芯片技术为骨质疏松症和关节炎等疾病的基础研究和药物筛选带来了革命性的机遇。 骨/软骨类器官芯片(BCoC)系统是一个新颖的多组织平台,它忠实地模拟真实情况下的基本元素、生物功能和病理生理反应。 在这篇综述中,我们提出了 BCoC 平台的概念,总结了基本模块以及当前在单个微流体系统上协调它们的努力。 还讨论了当前的疾病模型、未解决的问题和未来的挑战,目的应该是更深入地了解疾病,并最终实现通用的体外工具,以进一步治疗病理状况的策略。

6.类器官评估技术


Gu Y, Zhang W, Wu X, Zhang Y, Xu K, Su J. Organoid assessment technologies. Clin Transl Med. 2023 Dec;13(12):e1499. doi: 10.1002/ctm2.1499. PMID: 38115706; PMCID: PMC10731122.

尽管在类器官的构建方面取得了巨大进展,但强大而稳定的类器官协议仍然是研究人员面临的一个重大挑战。评估类器官结构及其在体外或体内功能评估的研究通常受到高通量策略的限制。目前,人们对评估类器官越来越感兴趣,旨在获得标准化类器官以模拟人体组织器官功能。类器官的复杂微环境、复杂的细胞串扰、器官特定架构和复杂的功能模拟迫切需要寻求高通量方案。通过利用多组学分析和单细胞分析,可以破译细胞-细胞相互作用机制,并通过组织学分析详细检查其结构。在本综述中,我们将总结研究类器官的分子机制和细胞异质性的新方法,并讨论类器官与人体相比的组织学和形态学相似性。在不断革新的技术背景下,类器官将成为成熟的体外研究模型。

7.骨类器官之水凝胶——超声刺激原位凝胶的ROS响应型水凝胶


Wu S, Zhang H, Wang S, Sun J, Hu Y, Liu H, Liu J, Chen X, Zhou F, Bai L, Wang X, Su J. Ultrasound-triggered in situ gelation with ROS-controlled drug release for cartilage repair. Mater Horiz. 2023 Aug 29;10(9):3507-3522. doi: 10.1039/d3mh00042g. PMID: 37255101.

由创伤、骨关节炎、骨肿瘤等引起的软骨缺损不仅严重影响患者的生活质量,还造成了巨大的社会经济负担。由于血管缺乏和先天自增殖能力的限制,软骨再生修复一直以来都是临床治疗中的一大难题。基于此,本研究设计并制备了一种新型ROS响应药物控释原位纳米水凝胶并用于关节软骨修复。其中,利用可超声断裂的酮缩硫醇(TK) 基纳米脂质体装载成软骨药物 (KGN)、凝血酶 (thrombin) 及声敏剂 (PpIX)。在超声刺激下,脂质体部分破裂伴随着纤维蛋白原和凝血酶的酶促反应实现原位凝胶化用于填充组织缺损;此外,通过调控超声条件实现KGN药物的可控释放和ROS的适量产生。更重要的是,原位纳米复合水凝胶微环境中的适量ROS和持续释放的KGN通过刺激Smad5/mTOR信号通路有效促进BMSCs向成软骨方向分化进而加速关节软骨缺损修复。

8.骨类器官之水凝胶——具有ROS清除和响应性降解功能的无因子水凝胶


Qin Zhang, Weikai Chen, Guangfeng, Zhixin Ma, Mengru Zhu, Qianmin Gao, Ke Xu, Xinru Liu, Wenyi Lu, Wencai Zhang, Yan Wu, Zhongmin Shi, Jiacan Su. A Factor-Free Hydrogel with ROS Scavenging and Responsive Degradation for Enhanced Diabetic Bone Healing. Small. 2024 Jan 2:e2306389. doi: 10.1002/smll.202306389. PMID: 38168513.

糖尿病病理微环境下骨缺损的有效愈合是骨修复领域面临的难点之一。高血糖引起活性氧类物质(ROS)大量产生,促使骨损伤处形成氧化应激微环境,导致间充质干细胞(MSC)由成骨向成脂分化偏移,阻碍了有效的骨修复进程。本研究构建了一种兼具ROS清除能力和响应性降解特性的水凝胶,通过降低病变骨微环境中ROS水平,抑制MSC分化偏移,从而有效促进糖尿病条件下骨缺损愈合。本研究将为糖尿病患者骨缺损愈合障碍提供新思路,也为病理微环境下生物材料应用及其作用机制探索提供参考。

9.骨类器官之水凝胶——骨靶向水凝胶构建策略及应用


Zhang H, Wu S, Chen W, Hu Y, Geng Z, Su J. Bone/cartilage targeted hydrogel: Strategies and applications. Bioact Mater. 2022 Nov 11;23:156-169. doi: 10.1016/j.bioactmat.2022.10.028.

退变性和创伤性的骨科疾病发病率逐渐攀升,治疗需求与日俱增。近年来,具有特定骨/软骨靶向特性的材料已被开发出来。水凝胶最为最常见的骨科生物医用材料之一,具有骨/软骨靶向性水凝胶的开发仍处于初级阶段。本文综述了具有骨/软骨靶向性的水凝胶研究进展,以不同解剖部位为划分讨论了骨靶向水凝胶的应用场景、构建策略和临床应用。长骨不同部位的特定微观结构和细胞微环境为骨靶向水凝胶提供了许多靶点,包括细胞外基质的主要成分和一些细胞标记蛋白。骨靶向水凝胶的制备策略包括具有靶向特性的微级水凝胶微球和含有骨靶向药物的水凝胶药物库。最后我们综述骨靶向水凝胶在关节相关疾病、长骨干骺端相关疾病和长骨骨干相关疾病中的应用。由于骨组织的局部血液循环比其他组织稍弱,骨靶向材料的开发对骨科疾病具有重要意义。我们希望通过本文对骨靶向水凝胶的总结,为今后该领域的研究提供参考。

10.骨类器官之水凝胶——DNA功能化水凝胶


Li M, Wu Y, Wang M, Zhang W, Song P, Su J. DNA-functionalized hyaluronic acid bioink in cartilage engineering: a perspective. Int J Bioprinting. 2024 Jan 16. https://doi.org/10.36922/ijb.1814

退行性骨关节炎,作为关节软骨缺损的典型后果,极大影响人们生活。透明质酸(HA)凭借其良好的生物相容性、可降解性和低免疫原性,在软骨组织构建中发挥关键作用。然而,模拟软骨的细胞外基质依然充满挑战。近期,DNA的可编程特性被发现能显著提升HA水凝胶的功能性,从而推动了这一领域的发展。这篇综述深入探讨了DNA功能化HA水凝胶的研究进展,这种材料可巧妙融合了DNA的生物学属性与传统水凝胶的稳定性,从而拓展其在生物医学领域的应用潜力。这种材料不仅具有强大的活性和多功能性,有望能更精准地模仿软骨的细胞外基质,创造出高度生物相容的生物墨水。其结合的DNA结构可根据环境变化和分子识别进行自我调节,实现对外部刺激的精确反应。DNA功能化的HA水凝胶,融合了HA和DNA的优点,可成为软骨工程的理想材料。

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