一个具有重大影响的微型视网膜
想象一下在培养皿中培育出数千个微小的、自我组织的“眼睛”——视网膜类器官，它们能够模拟人类视觉的复杂性。这正是Magdalena Renner博士实验室的现实。在那里，尖端的干细胞技术和组织工程正在汇聚，以解锁治疗致盲疾病的新方法。在Technology Networks最近举办的“2025年疾病建模创新”研讨会上，Renner博士详细介绍了她的团队如何克服视网膜类器官生产中的长期障碍，实现大规模药物测试和长期疾病建模。
从零开始构建视网膜
视网膜是人体中最复杂的组织之一，包含超过100种细胞类型，排列成多层网络。在诸如视网膜色素变性、年龄相关性黄斑变性（AMD）和青光眼等疾病中，特定的视网膜细胞退化，常常导致永久性视力丧失。为了模拟这些疾病条件，Renner博士的实验室使用人类诱导多能干细胞（iPSCs）生成视网膜类器官——这些微小的球形组织模仿了人类视网膜的结构和功能。这些类器官包含所有主要的视网膜细胞类型，包括杆状和锥状光感受器、双极细胞、穆勒胶质细胞和视网膜色素上皮（RPE）细胞。通过单细胞RNA测序，Renner博士的团队验证了“类器官细胞类型在转录组上与成人人类视网膜细胞相似”，并且关键的是，疾病基因在相同的细胞类型中表达。这使得视网膜类器官成为疾病建模和治疗筛选的理想平台。
从三个到数千：扩大类器官生产规模
虽然科学界早已认识到类器官的潜力，但以一致的质量大规模生产它们一直是一个挑战，直到现在。最初，Renner博士只能在每个孔中生成三个视网膜类器官。然而，通过引入两个关键创新——控制胚胎体（EB）形成和“棋盘格刮取”——她的实验室现在每个孔中可以生成数千个类器官。胚胎体步骤被证明是关键。“胚胎体的大小对我们视网膜类器官分化协议的结果非常重要，”她指出。一些iPSC系对初始大小高度敏感，影响类器官的产量和质量。通过将单个细胞接种到琼脂糖微孔阵列中，团队标准化了胚胎体的形成，极大地提高了可重复性。刮取也取代了耗时的手动显微解剖。“我曾为我们的单细胞RNA测序解剖类器官好几天，然后大多数结果表明它们并没有很好地发育，”Renner回忆道。通过棋盘格刮取，她现在可以在短时间内收获数百个健康的类器官。
筛查保护视力的化合物
随着高通量生产到位，Renner博士的实验室转向了筛查。他们与诺华公司的FAST实验室合作，测试了一个包含2,700种化合物的库，寻找能够保护锥形光感受器——负责日光和颜色视觉的细胞的药物。通过剥夺类器官的葡萄糖来诱导锥形细胞退化，模拟代谢应激。团队使用病毒载体在锥形特异性启动子下表达绿色荧光蛋白，从而实现随时间的活体成像。“在低葡萄糖培养基中……锥形光感受器正在死亡，”Renner报告称，大约在一周内损失了40%。一些化合物减缓了锥形细胞的死亡，而另一些则加速了其死亡。两种候选药物，被命名为“锥形细胞拯救激酶抑制剂1和2”，在7天和14天时显著增加了锥形细胞的存活率。后续的激酶谱分析表明，它们的可能靶点分别是酪蛋白激酶1和MAP激酶11——这为靶向神经保护疗法打开了大门。
HistoBrick的革命
为了更详细地了解类器官，组织学是必不可少的，但传统的切片方法速度慢、容易出错且浪费资源。于是，“HistoBrick”诞生了，这是一种与瑞士电子与微技术中心（CSEM）合作开发的3D打印嵌入模具。“我们开发了HistoBrick用于冷冻切片，以提高类器官组织学的通量，”Renner解释说。Renner博士的团队的这一创新允许在单个块中平行切片多达16个类器官，大幅减少了成本和工作量。重要的是，通过位置保留类器官的身份，实现了多重分析。标准的嵌入材料如OCT损害了光感受器的精细外段。团队找到了更好的解决方案：一种紫外线固化明胶和PEG-DA混合物，能够保持形态并实现精确切片。“使用HistoBrick，我们能够分析培养了近两年的类器官，”Renner分享道。令人惊讶的是，它们在98周时仍显示出分层结构和存活的光感受器。
迈向衰老模型及其他
一个意外的发现是，在较老的类器官中存在移位的锥形光感受器——这一特征让人联想到人类视网膜老化时的变化。“视网膜类器官可能也可用作模拟视网膜衰老某些方面的模型，”Renner提出。这将视网膜类器官不仅定位为治疗遗传性视网膜疾病的工具，还定位为研究与年龄相关退化和测试长期药物效果的工具。
未来的道路
尽管取得了显著进展，但挑战依然存在。类器官缺乏血管化，视网膜节细胞早期退化，限制了它们在某些疾病模型中的应用。增强类器官的结构和功能性——可能是通过共培养系统或改进的分化协议——是下一步的关键。Renner博士还在努力实现类器官选择和培养的自动化，以解决劳动密集型步骤和变异问题。“有人必须来。所以将类器官放在一些自动化培养平台上会有帮助，”她指出，强调了持续创新的必要性。她对领域的建议是：“每个项目都需要根据问题来定制类器官。”无论是筛查、移植还是建模衰老，视网膜类器官都证明了其灵活性、可扩展性和惊人的韧性。
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