7.4.2　模拟疾病发生发展

除了能够模拟发育过程之外，应用患者iPSs作为种子细胞，形成的类器官可以模拟很多疾病的发生、发展过程。很多肌肉退行性疾病和运动神经元-肌肉退行性疾病发生在成年个体中，发病机制和病程较为复杂，难以在患者体内进行追踪研究。同时，由于病变涉及很多成熟肌纤维的性质改变，在体外2D培养系统中，这些成熟肌纤维的功能无法体现，因而难以进行疾病的模拟。而类器官能够较好地重现体内成熟肌纤维的基因表达、蛋白定位及肌纤维机构，是模拟肌肉退行性疾病的良好模型。在体外应用杜氏肌无力（Duchenne muscular dystrophy，DMD）患者的iPSs细胞成功构建肌肉类器官［34］。使用连续电刺激模拟患者的肌肉无力疲劳能够较好地再现患者体内的肌肉功能障碍［41，42］。在此模型基础上，可建立高通量类器官培养系统，支持药物高通量筛选［42］。侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）是由于运动神经元发生初始病变导致的肌肉萎缩与肌肉功能丧失，其具体的发病机制和疾病发展过程中神经-肌肉接头的改变情况目前尚不清楚，也难以在患者体内进行监测。使用ALS患者的iPSs细胞，在肌肉类器官可模拟ALS患者中的神经-肌肉接头性质改变，为进一步理解发病机制奠定了基础［43］。

除了使用患者来源的iPSs细胞构建类器官，还可以通过向肌肉类器官添加致病因子对疾病进行模拟。例如，重症肌无力（myasthenia gravis，MG）是一种自身免疫性疾病，患者的免疫系统攻击神经-肌肉接头导致肌肉萎缩，肌纤维收缩功能丢失，丧失运动能力，如果攻击呼吸肌则会导致呼吸衰竭而死亡。然而，目前没有能够较好模拟MG的动物和细胞模型。通过向肌肉类器官中添加来源于MG患者血清中分离到的IgG混合物，能够在体外重现患者的多种病理表型［10，11］。肌肉类器官也可用于对SARS-Co V-2感染的研究。最近的研究表明，在新冠病毒感染较长时间后依然能够在骨骼肌中检测到SARSCo V-2病毒的存在［44］，但是病毒对肌肉的影响及其机制目前还不清楚。因此，应用肌肉类器官研究SARS-Co V-2感染对肌肉功能的影响是一个重要的研究方向［45］。肌肉类器官将为进一步揭示SARS-Co V-2对机体的影响提供良好的模型系统。

在类器官构建过程中，还可通过混合使用患者来源的细胞与正常细胞，从而使两种来源细胞共同形成肌肉类器官，以模拟疾病的发生。DMD患者经常发生肌肉的纤维化，但是具体的机制目前尚不清楚。在构建肌肉类器官的时候加入来源于DMD患者的成纤维细胞，可以在体外构建具有肌膜的3D肌肉模型。在引入DMD患者成纤维细胞后，类器官中的collagen I、fibronectin、α-smooth muscle actin等与纤维化相关的基因的表达水平显著提高。成纤维细胞向肌成纤维细胞的转分化是DMD患者中发生的典型的病理转变，其在2D细胞培养系统中无法模拟，而在3D肌肉类器官中能够观察到DMD患者成纤维细胞在肌肉类器官中向肌成纤维细胞（myofibroblast）的转分化［35］。(https://www.daowen.com)

除了在神经支配下进行收缩外，骨骼肌还是体内最大的代谢器官，在2型糖尿病等代谢性疾病的发生和发展中起重要的作用［46］。在2D培养系统中，肌管细胞的代谢与体内骨骼肌代谢有比较大的差异，因而难以模拟体内骨骼肌的代谢。3D培养的骨骼肌类器官在代谢特性上更接近体内真实情况。例如，与体内类似，在肌肉类器官中线粒体具有更高的脂肪酸氧化代谢水平，同时能够产生较多的支链氨基酸［36］。应用DMD患者的iPSs细胞构建的骨骼肌类器官能够模拟患者体内骨骼肌发生的胰岛素抵抗、葡萄糖摄取能力下降和糖原积累等代谢异常［47］，为进一步的研究奠定了基础。

骨骼肌胰岛素抵抗是2型糖尿病的主要缺陷，这种疾病主要与4型葡萄糖转运蛋白（GLUT4）的功能和含量受损有关。骨骼肌组织中GLUT4过表达可改善葡萄糖稳态。由纤维蛋白凝胶负载GLUT4过表达细胞与聚左旋乳酸（poly-L-lactic acid，PLLA）和PLGA混合的多孔3D支架相结合构建的肌肉类器官在植入肥胖小鼠模型后，能够显著降低空腹血糖水平。在植入后4个月，肥胖小鼠的基础葡萄糖水平明显下降和稳定。对移植后的肌肉类器官进行进一步分析，发现与代谢过程相关的肌细胞因子（如白介素IL-6、IL-10和IL-13）的表达水平升高［27］。此外，过表达glut4的肌肉类器官在移植入胰岛素抵抗小鼠后，在高葡萄糖负荷条件下能够改善糖耐量［27］。这些结果表明，GLUT4过表达肌肉类器官移植是一种恢复糖尿病小鼠胰岛素敏感性和改善葡萄糖稳态的有效方式，是潜在的治疗2型糖尿病的创新模式。

在3D肌肉类器官中对人类肌肉退行性疾病的准确模拟为探索这些疾病的发病机制、疾病发展过程提供了良好的模式系统。进一步优化类器官的构建方式，提高肌纤维的组织度和成熟度将有助于提高类器官在体外模拟肌肉退行性疾病的准确度。