可用于疾病建模和血癌治疗靶点研究的人类骨髓类器官诞生

撰文 | Qi

骨髓造血微环境的扰动有助于血液恶性肿瘤的发生和传播，然而体外研究通常仅限于2D系统且小鼠模型无法真实再现许多人类疾病。在“生物芯片”上对某些骨髓成分进行建模已经取得了进展，但由于缺乏专门的基质、血管化和活跃的血细胞生成限制了这种方法的应用【1, 2】。近年来，类器官的开发可以通过启用遗传筛选和疾病病理学的药理学调节来促进转化研究，但目前尚缺乏人类骨髓样类器官。

近日，来自牛津大学的Bethan Psaila团队等在Cancer Discovery杂志上合作发表了一篇题为Human bone marrow organoids for disease modelling, discovery and validation of therapeutic targets in hematological malignancies的文章，他们描述了一种包含人类骨髓关键特征的类器官，除了能模拟生理性造血生态位相互作用外，还支持血液恶性肿瘤患者的细胞植入和存活以及骨髓纤维化抑制剂的筛选。这一平台解决了对用于转化研究的3D人类骨髓模型的长期需求，其中生态位和造血成分都是物种和细胞环境特定的，为高通量药物筛选和旨在了解疾病途径的研究创建了一个动态平台。

如下图所示，研究人员设计了一项四阶段工作流程来生成间充质、血管和骨髓生成细胞组分，经评估发现含有基质胶、I型和IV型胶原蛋白的混合基质水凝胶是生成血管化的骨髓类器官的最佳选择，在血管萌芽阶段添加VEGFC后可以显著改善类器官中的血管形成和造血支持。为了确认类器官在多大程度上可以模拟真实的人类骨髓，作者通过scRNA-seq证明类器官内的造血细胞和基质细胞谱系与人类造血组织具有转录同源性。为了研究类器官内造血细胞、内皮细胞和基质细胞亚型之间的细胞和分子相互作用，作者进一步绘制了跨簇的相互作用受体和配体对的表达。其中，巨核细胞、内皮细胞和具有骨髓间充质基质细胞（MSC）的巨核细胞之间检测到许多相互作用的受体-配体，提示这些细胞类型之间存在双向调节作用。

图1. 构建血管化、骨髓造血类器官的最佳条件以及分化流程。

病理性造血生态位重塑发生在大多数血液恶性肿瘤中，在包括骨髓增生性肿瘤在内的多种癌症中骨髓纤维化是骨髓衰竭的主要原因，而纤维化是由于造血细胞过度产生和释放促纤维化细胞因子，尤其是TGFβ导致骨髓基质沉积网状蛋白和胶原纤维【3】。为了研究类器官是否可以模拟病理性骨髓纤维化，作者用不同剂量的TGFβ处理类器官，发现纤维化标志物的表达水平呈剂量依赖性增加，且类器官内胶原蛋白沉积显著增加，并伴有明显的网状纤维化。既然模拟了病理性骨髓纤维化，是否可以利用这一模型来测试纤维化抑制剂的效用呢？为此，作者选择了两种正在进行临床试验的化合物进行测试，TGFβ诱导的可溶性IL11表达被两种处理完全抑制，提示该模型具备筛选药物的功效。

图2. 骨髓纤维化患者的细胞移植导致类器官“生态位重塑”和纤维化。

随后，作者将血液恶性肿瘤患者或健康对照的细胞植入到类器官，与对照相比，移植有骨髓纤维化细胞的类器官培养基中可溶性TGFβ水平显着升高，伴随内皮细胞相关基因表达及血管分布减少，提示细胞移植可以引起类器官发生“生态位重塑”。作者随即利用三种不同的TGFβ抑制剂来处理移植了骨髓纤维化患者的细胞接种的类器官，三种抑制剂对不同的纤维化标志物恢复有不同的表现，但在患者细胞植入诱导的纤维化特征上没有观察到显着逆转。最后，作者想知道其他血癌（如多发性骨髓瘤、ALL）的原代细胞是否也能成功植入到骨髓类器官中，以及是否可以提高离体细胞的存活率。于是作者分别将这些癌细胞接种到类器官或液体培养基中，多发性骨髓瘤细胞在液体培养基中48小时后存活率低于20%，而在植入类器官超过12天仍保持>90%的存活率，类似的对比也出现在ALL当中。这些发现提示类器官为来自患者的原发性血癌细胞的存活和生长提供了支持性生态位，尤其对于那些在体外和冷冻保存后存活能力差的癌症类型。

总之，这项工作展示了一种支持骨髓和淋巴血癌患者原代细胞生长的骨髓类器官，解决了对用于转化研究的3D人类骨髓模型的长期需求，并为高通量药物筛选和了解疾病途径的研究创建了一个动态平台。

https://doi.org/10.1158/2159-8290.CD-22-0199

制版人：十一

参考文献

1. Buduo CAD, Wray LS, Tozzi L, Malara A, Chen Y, Ghezzi CE, et al. Programmable 3D silk bone marrow niche for platelet generation ex vivo and modeling of megakaryopoiesis pathologies.Blood.2015;125:2254–64.

2. Tozzi L, Laurent P-A, Buduo CAD, Mu X, Massaro A, Bretherton R, et al. Multi channel silk sponge mimicking bone marrow vascular niche for platelet production.Biomaterials.2018;178:122–33.

3. Kuter DJ, Bain B, Mufti G, Bagg A, Hasserjian RP. Bone marrow fibrosis: pathophysiology and clinical significance of increased bone marrow stromal fibres.Brit J Haematol.2007;139:351–62.