多年來，藥物開發(fā)依賴于簡化和可擴(kuò)展的細(xì)胞培養(yǎng)模型來發(fā)現(xiàn)和測試用于多種疾病的新藥物。然而，在培養(yǎng)皿中生長的細(xì)胞通常是體內(nèi)健康和患病細(xì)胞類型的虛假代表。這種限制具有嚴(yán)重后果：許多最初在細(xì)胞培養(yǎng)中看起來很有希望的潛在藥物在患者中進(jìn)行測試時通常無法工作，如果它們沒有出現(xiàn)在培養(yǎng)皿中，則可能完全錯過目標(biāo)。

來自麻省理工學(xué)院哈佛 - 麻省理工學(xué)院健康科學(xué)與技術(shù)(HST)和醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)研究所(IMES)的高度協(xié)作的研究團(tuán)隊最近開始著手解決這個問題，因為它涉及到一種類型的細(xì)胞。與炎癥性腸病(IBD)有關(guān)的腸。在新的工作中，該團(tuán)隊能夠產(chǎn)生一種腸細(xì)胞，這種細(xì)胞可以更好地模擬真實細(xì)胞，因此可以用于IBD等疾病的研究。他們在最近一期BMC Biology上報告了他們的發(fā)現(xiàn)。

該團(tuán)隊由HST醫(yī)學(xué)工程和醫(yī)學(xué)物理項目的博士生Ben Mead領(lǐng)導(dǎo);布里格姆婦女醫(yī)院教授Jeffrey Karp與麻省理工學(xué)院化學(xué)系輝瑞 - 勞巴赫職業(yè)發(fā)展助理教授Alex K. Shalek實驗室博士后Jose Ordovas-Montanes密切合作;以及麻省理工學(xué)院生物工程學(xué)教授Jim Collins，研究所教授R??obert Langer，以及哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院以及科赫綜合癌癥研究所的科學(xué)家們的實驗室。

了解單細(xì)胞水平的遺傳風(fēng)險

這項研究是由高通量單細(xì)胞RNA測序的新技術(shù)催化的，該技術(shù)能夠在單個細(xì)胞水平上對組織進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組整體分析。通過單細(xì)胞RNA測序的鏡頭，科學(xué)家現(xiàn)在能夠“繪制”我們的單個細(xì)胞，并可能發(fā)生導(dǎo)致疾病的變化。研究小組將這種方法轉(zhuǎn)變?yōu)榇_定現(xiàn)有細(xì)胞培養(yǎng)模型在體內(nèi)模擬特定類型細(xì)胞的程度，比較兩個單細(xì)胞“圖譜”：一個是小鼠的小腸，另一個是成人干細(xì)胞來源的。小腸模型，稱為類器官。

他們使用這些圖譜來分離單個細(xì)胞類型，并詢問類器官衍生細(xì)胞與其天然對應(yīng)物的匹配程度。“基于模型和實際細(xì)胞之間的差異，我們利用計算驅(qū)動的生物工程方法來提高模型的保真度。”卡普說。“我們相信這種方法可能是從細(xì)胞模型中解開下一代治療開發(fā)的關(guān)鍵，包括那些由患者衍生的干細(xì)胞制成的模型。”

個別基因可以改變?nèi)藗兓忌峡肆_恩病(一種IBD)等疾病的風(fēng)險。一個活躍的研究領(lǐng)域是了解這些基因在組織中的作用，以進(jìn)一步了解疾病機(jī)制并提出新的治療干預(yù)措施。為了解決這個問題，需要技術(shù)來可靠地將“風(fēng)險”基因映射到受影響的組織內(nèi)，而不是單個細(xì)胞，如果藥物篩選能夠糾正錯誤的基因或潛在地改善患者的病情，則需要適當(dāng)?shù)耐茰y。

大規(guī)模的單細(xì)胞RNA測序是一種革命性的技術(shù)，是麻省理工學(xué)院在Alex K. Shalek和Chris Love小組之間進(jìn)行低輸入臨床活檢的先驅(qū)，現(xiàn)在允許研究人員將組織解構(gòu)成其元素 - 細(xì)胞 - 并確定關(guān)鍵模式指定每種細(xì)胞類型的基因表達(dá)。經(jīng)濟(jì)地有效分析成千上萬個細(xì)胞的能力使得識別基因組成以前難以辨別的組織中的關(guān)鍵細(xì)胞類型的可能性成為可能。

使用單細(xì)胞“地圖”重新定位關(guān)鍵細(xì)胞類型的發(fā)展

在了解特定“風(fēng)險”基因起作用的位置時，定位組織(例如小腸)非常重要。然而，將研究結(jié)果轉(zhuǎn)化為臨床所需的關(guān)鍵進(jìn)展將不可避免地通過鑒定為解釋基因和顯示疾病表型的細(xì)胞類型的代表性模型。已經(jīng)通過遺傳研究牽連的一種關(guān)鍵的IBD相關(guān)細(xì)胞類型被稱為Paneth細(xì)胞，其負(fù)責(zé)小腸中的關(guān)鍵抗微生物作用并保護(hù)干細(xì)胞生態(tài)位。

當(dāng)成體腸道干細(xì)胞在培養(yǎng)皿中生長時，它們會自組織成稱為腸類器官的顯著結(jié)構(gòu)：3-D細(xì)胞結(jié)構(gòu)，其中包含在真實腸道中發(fā)現(xiàn)的許多細(xì)胞類型。盡管如此，這些腸道類器官如何與腸道中發(fā)現(xiàn)的真正細(xì)胞??類型相對應(yīng)，已經(jīng)證明對研究人員來說具有挑戰(zhàn)性。為了直接解決這個問題，Shalek向Mead提出了一個“快速”實驗，然后實驗實驗室之間的富有成效的合作。

Mead和Ordovas-Montanes開發(fā)了一種單細(xì)胞圖譜，顯示了小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的小腸細(xì)胞類型的真實特征，并將它們與腸源性類器官的圖譜進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)了幾種差異，特別是在關(guān)鍵的IBD相關(guān)細(xì)胞類型稱為Paneth細(xì)胞。由于該領(lǐng)域的類器官圖譜與真實組織并不完全對應(yīng)，因此它可能使他們誤入歧途尋找藥物目標(biāo)。

幸運的是，通過他們的單細(xì)胞數(shù)據(jù)，該團(tuán)隊能夠了解地圖是如何錯位的，并“糾正”菜肴中缺失的發(fā)育途徑。結(jié)果，他們能夠產(chǎn)生Paneth細(xì)胞，該細(xì)胞對真實細(xì)胞的模擬效果更好，現(xiàn)在可以起到殺死細(xì)菌和支持相鄰干細(xì)胞的作用。

通過改善組織表現(xiàn)提供的翻譯機(jī)會

“隨著這個改進(jìn)的細(xì)胞在手，我們現(xiàn)在正在開發(fā)一個篩選平臺，使我們能夠針對相關(guān)的Paneth細(xì)胞生物學(xué)，”Mead說，他計劃繼續(xù)他作為Shalek小組的博士后開始的工作。

他們生成生理上忠實的腸細(xì)胞類型的方法是一項重大的技術(shù)進(jìn)步，將為其他研究人員提供一個強(qiáng)大的工具，以進(jìn)一步了解上皮屏障的特化細(xì)胞狀態(tài)。“當(dāng)我們開始了解哪些細(xì)胞類型特異性地表達(dá)改變IBD風(fēng)險的基因時，確保疾病模型準(zhǔn)確表示該細(xì)胞類型將至關(guān)重要，”Ordovas-Montanes說。

“我們希望制造更好的細(xì)胞模型，不僅要了解基本的疾病生物學(xué)，還要快速發(fā)展治療方法”，米德說。“這項研究將對腸道類器官群體產(chǎn)生影響，因為類器官越來越多地用于肝臟，腎臟，肺臟甚至大腦研究，我們的方法可以推廣用于將體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞類型與這些細(xì)胞類型相關(guān)聯(lián)和對齊。組織“。