从羊水中分离胎儿细胞 培养类器官 研究罕见病

类似器官的细胞群可以从羊水样本中培养出来，这为研究先天性疾病带来了希望。

　　

类器官是一种三维(3D)模型，能够在体外提供患者组织的一些生物学和病理生理特征。自体类器官可以从人胚胎干细胞或诱导多能干细胞中获得。通常从活组织检查中提取的成熟细胞，经过培养和重编程成为诱导多能干细胞，可以分化成任何类型的细胞。现在已经通过类器官研究了许多组织类型，包括大脑、心脏和视网膜。类器官被用来模拟组织的功能和对药物和疾病的反应。

但以这种方式模拟胎儿组织仍然具有挑战性，因为研究人员获得必要细胞的途径有限——组织特异性胎儿干细胞的分离和初级类器官的衍生仅限于从终止妊娠中获得的样本，通常仅限于妊娠早期，阻碍了胎儿发育和先天性疾病的产前调查、限制了产前建模、诊断和再生医学的使用。2020年在英国近60万新生儿中，约有1.3万名儿童出生时至少患有一种先天性异常。研究人员一直希望类器官可以提供关于先天性疾病如何发展的信息，甚至能有一天，在未来用于个体胎儿的个性化治疗。

为获得患者特异性体外模型，研究人员转而使用羊水作为胚胎活细胞的来源，这样将可以在怀孕期间分离和扩增胎儿干细胞，而不需要组织样本或细胞重编程，并且能够研究发育后期的胎儿组织，只需要4-6周生成类器官，能够伴随怀孕延续并可能为胎儿个性化治疗提供线索。

羊水来源
在英国每年约有30,000例羊膜穿刺术用于确诊和高级诊断。此外，羊膜引流是羊水过多和双胎输血综合征的常规治疗方法。产前脊髓脊膜膨出（MMC）修复和胎儿镜下腔内气管闭塞(FETO)治疗先天性膈疝（CDH）等产前干预也能提供妊娠期间额外的胎儿液体。

研究亮点

研究人员通过单细胞分析鉴定了人羊水中存在的细胞特征。他们通过鉴定并分离了胎儿胃肠道、肾脏和肺来源的活上皮干细胞/祖细胞，经过培养后，这些细胞形成上皮类器官，并表现出小肠、肾小管和肺的特征。来自羊水的类器官表现出其起源组织的转录组学、蛋白质表达和功能特征。与产前疾病建模相关。作者从先天性膈疝胎儿的羊水和气管液细胞中获得肺类器官，包含了该疾病的一些特征。从产前诊断和治疗干预收集的胎儿液样本的第二和第三个月产生类器官，能够伴随着怀孕的延续，是在与产前干预相容的时间线中衍生出来的，有可能允许在临床相关发育阶段对胎儿进行个性化的治疗工具和再生医学策略的研究。

这项工作表明，流入羊水的不同上皮干细胞群可以形成与其来源组织相似的上皮类器官。在持续妊娠期间自体衍生原代胎儿类器官可以促进先进产前模型的开发，并改善咨询和设计个性化疗法。最后，羊水类器官（AFO）提供了研究目前无法达到的妊娠晚期阶段的可能性，超出了终止妊娠的限制。

研究细节

通过羊膜穿刺术(通常在妊娠20周内将针插入子宫并取出羊水)或通过羊膜引流(在妊娠34周内取出多余的羊水)获得样本。这些都是产前护理的标准程序，所以“它们让我们有机会在没有任何额外程序的情况下提取羊水”，研究报告的合著者、伦敦大奥蒙德街医院的儿科外科医生Paolo De Coppi说。所有的样本都是从那些正在接受独立于研究的程序之一的人身上提取的。

研究人员首先从样本中分离出单个细胞，并描述了它们的来源。大多数来自上皮层——覆盖器官表面的细胞层。加州旧金山格莱斯顿心血管疾病研究所的儿科心脏病研究员Benoit Bruneau说，上皮细胞“自然地聚集在一起”，使它们成为形成类器官的理想选择。“许多先天性疾病都涉及上皮组织，”Gerli说，因此由此产生的类器官与研究此类疾病有关。

研究小组培育出三种类器官——小肠、肾脏和肺。将细胞转移到凝胶培养基中进行繁殖和生长。每一种类器官都表达其起源器官的基因和蛋白质。除了组织样器官外，研究人员还利用受该疾病影响的样本中的细胞，模拟了先天性膈疝(CDH)，这是一种膈不能正常发育的疾病。

与由多能干细胞制成的类器官不同，羊水细胞已经具有器官的特性。“没有重新编程，没有操纵，”Gerli说，“我们只是让细胞表达它们的潜力。”他补充说，这使得未来在临床中的应用更加可行。这种相对简单的技术还将培养类器官所需的时间从使用干细胞通常需要的5到9个月缩短到4到6周。

未来的可能性

作者说，这项研究还没有准备好转移到临床。由羊膜穿刺术培养的类器官或许可以用于筛选治疗方法。目前，只有来自这三个器官的上皮组织利用这种技术成功地生长成类器官。更复杂的先天性疾病可能会影响多个组织层，例如间充质细胞，这是在几个器官中发现的另一种细胞。研究最常见的先天性疾病——心脏缺陷的Bruneau说，用这种方法来模拟不会将细胞脱落到羊水中的器官，比如大脑或心脏，可能是不可行的。

“问题是，这些类器官在多大程度上忠实地揭示了疾病的基础，它们不仅对建模有多大用处，而且对药物测试有多大用处?”在西班牙巴塞罗那加泰罗尼亚生物工程研究所研究器官再生的Núria Montserrat说，就对药物的反应水平而言，它们的能力必须与从活组织检查或多能干细胞中获得的类器官进行比较。

Gerli说，下一步是测试CDH类器官对疾病建模的能力。将需要与患者数据进行比较，以弄清楚疾病的特征如何反映在类器官的基因和蛋白质表达中。这将开始回答有关它们是否有用的问题。“我们希望这能为我们和其他人开展更多的研究打开大门。”