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體外試驗所-由iPSCs建立的疾病模擬與藥物篩選方法

在 2006 年時,誘導性多功能幹細胞 (Induced pluripotent stem cells, iPSCs) 由日本科學家山中伸彌教授所發現,此一劃時代的發現直接或間接推動了許多諸如組織工程、細胞移植等研究領域的發展。如今十多年過去了,和早期相比,科學家們並不止步於細胞層級的研究,也開始利用 iPSCs 建立組織、器官層級的系統,期望解決更多醫療與疾病的難題。本文以 2019 年刊載於 Nature 期刊上的一篇回顧型文章為基礎 [1],介紹近年來應用 iPSCs 於疾病模擬、藥物篩選等大尺度研究的進展。

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圖片說明:源於iPSCs的類器官在疾病模擬與藥物開發應用的流程圖。圖片來源:doi: 10.1038/s41576-019-0100-z

以 iPSCs 為基礎來模擬疾病及生物現象的應用有很多,在此以近年研究發展迅速的類器官 (Organoids)、有助於抗病原體藥物開發的宿主感染模擬及更大尺度的跨物種嵌合體 (Chimaeras) 研究為例。

一、類器官

類器官為可組織化的細胞群體結構,可由 iPSCs 建立並用在神經、腸道、肝臟及腎臟等疾病模擬上,以 2015 年 Ludovic Vallier 教授的研究為例 [2],他們利用 iPSCs 分化而成的膽管上皮細胞 (cholangiocytes) 建立阿拉吉歐症候群 (Alagille syndrome)、 多囊性肝病 (polycystic liver disease) 及囊性纖維化 (cystic fibrosis) 的類器官模型,重現了改變 Notch 訊息傳遞路徑所造成的影響,並測試了現有藥物 Octreotide 及實驗性藥物 VX809 對類器官的治療,顯示此一類器官系統具有進行發育基礎研究及藥物測試、篩選的潛力,有助於未來相關治療方法的開發。

二、宿主感染模擬

圖片說明:C. difficile 的致病(B)與非致病菌株(C)在類器官中的感染情形。圖片來源: doi: 10.1128/iai.02561-14

大部分應用 iPSCs 的疾病模擬都圍繞在遺傳性疾病或基因功能上的基礎研究,但也有科學家利用此一模式進行和病原體感染相關的實驗。在 2015 年的一篇文章中 [3],來自美國密西根大學的研究團隊嘗試利用 iPSCs 建立腸道類器官對困難梭狀芽孢桿菌 (Clostridium difficil) 的致病機制進行研究。在證實此類器官可重現細菌感染的情況後,他們純化並測試芽孢桿菌主要的致病因子 TcdA 和 TcdB 在類器官上的表現,結果表明,和一般細胞實驗中 TcdB 毒性較高的情形不同,類器官中 TcdA 的致病性較高且和動物實驗的結果相符。此外,將致病因子注射到類器官後所導致的上皮細胞破壞情形會因接觸位置的不同而有影響,顯示 TcdA 及 TcdB 接受體分布位置並不一樣,此結果可作為未來藥物設計及投藥方法改良的參考。

三、嵌合體

隨著研究複雜度的增加,一般在培養皿上培養的類器官型態無法滿足和血液循環、神經傳導及免疫系統相關的研究,因此就有透過異種移植 (xenotransplantation) 的方法將 iPSCs 分化形成的類器官置於實驗動物上建立嵌合體來進行研究。2013 的一篇論文中 [4],科學家利用由 iPSC 形成的肝內胚細胞 (hepatic endoderm cells) 和間葉幹細胞、人類臍帶靜脈內皮細胞 (human umbilical vein endothelial cells) 共同培養,自組織成具三維結構的肝芽 (liver bud) 後移植到免疫缺陷鼠上,實驗結果顯示肝芽可成功和小鼠的血管系統連接並開始生長,可在沒有人類肝臟的支持下產生特定蛋白質及具有藥物代謝功能,在肝衰竭小鼠模型中也可提高其存活率,此一突破性的研究有助於未來器官再生及移植療法的開發。

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圖片說明:源於iPSCs的肝芽並用於異種移植實驗的流程。圖片來源:doi: 10.1038/nature12271

上述種種研究均顯示iPSCs研究在近年來的快速發展,對許多複雜的疾病提供了新的研究方法並簡化實驗流程,比起傳統細胞實驗,類器官的研究模式有望提供更為準確的實驗結果,若未來能夠維持並克服iPSCs分化的穩定性及遺傳異質性,人類也許能夠挑戰更大規模的研究並大幅改變現今在傳染病學、腫瘤學及器官移植等領域上的難題。

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參考文獻

  1. Rowe, R. G., & Daley, G. Q. (2019). Induced pluripotent stem cells in disease modelling and drug discovery. Nature Reviews Genetics, 20(7), 377–388. doi: 10.1038/s41576-019-0100-z
  2. Sampaziotis, F., Brito, M. C. D., Madrigal, P., Bertero, A., Saeb-Parsy, K., Soares, F. A. C., … Vallier, L. (2015). Cholangiocytes derived from human induced pluripotent stem cells for disease modeling and drug validation. Nature Biotechnology, 33(8), 845–852. doi: 10.1038/nbt.3275
  3. Leslie, J. L., Huang, S., Opp, J. S., Nagy, M. S., Kobayashi, M., Young, V. B., & Spence, J. R. (2014). Persistence and Toxin Production by Clostridium difficile within Human Intestinal Organoids Result in Disruption of Epithelial Paracellular Barrier Function. Infection and Immunity, 83(1), 138–145. doi: 10.1128/iai.02561-14
  4. Takebe, T., Sekine, K., Enomura, M., Koike, H., Kimura, M., Ogaeri, T., … Taniguchi, H. (2013). Vascularized and functional human liver from an iPSC-derived organ bud transplant. Nature, 499(7459), 481–484. doi: 10.1038/nature12271

撰文|梁文
審稿|黃文彥

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梁文

就讀於東海大學生命科學系生物醫學組。目前在食品科學系進行靜電紡絲相關的專題研究,對於跨領域的研究有興趣,未來想朝生醫(or生物)工程的領域發展,期盼加入Investigator後除了能認識更多相關領域的人,在生物相關領域上一起努力。

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