類器官發展與應用

人體是從單個細胞到組織再到器官的有機集合，對于器官層面的科學研究而言，應致力于建立更符合人體組織器官的細胞組成、生物結構和功能的模型。類器官技術由此孕育而生。2021年，全球16個國家的60多位專家共同明確了類器官的定義，并形成共識：類器官是干細胞、前體細胞和/或分化細胞通過細胞-細胞間以及細胞-基質間的相互作用而自發組織形成的體外三維結構，能在多個方面再現體內相應組織或器官的結構與功能[1]。

類器官具有能夠自我更新、自我組織、最大程度模擬體內器官結構和功能、長期穩定傳代培養等特點。與傳統的二維細胞培養物相比，類器官更加接近器官生理狀態的細胞組成和行為。2013年，類器官技術被《科學》（Science）評為年度十大技術，2018年初被《自然·方法》（Nature Methods）評為2017年度方法，2019年再次被《新英格蘭醫學雜志》（The New England Journal of Medicine）評為優良的臨床前疾病模型。近10年來，類器官技術飛速發展，其應用涉及多個方面，包括器官發育研究、疾病發生發展解析、精準醫療、藥物研發等。

發展歷史

類器官的起源可以追溯到1907年，研究人員發現機械分離的海綿細胞可以自組織成為具有正常功能的新海綿有機體，首次揭示了無脊椎動物的某些去分化細胞具有自組織能力。這一發現為類器官技術的產生和細胞自組織理論的提出奠定了基礎。1960年，雞胚胎來源的腎臟、肝臟和皮膚被發現在體內移植后同樣具有自組織形成相應器官結構和功能的能力，且這種潛能似乎來自細胞自身。除此之外，1998年首次分離得到人胚胎干細胞，引發干細胞研究和臨床應用的熱潮。2006年，山中伸彌教授成功制造出人誘導多能干細胞，進一步解決人體組織樣本來源和倫理爭議問題。干細胞研究的飛速進展也為類器官研究提供了基礎。

2007年，克利夫斯（H. Clevers）團隊通過譜系追蹤技術發現腸干細胞為 Lgr5陽性細胞。2009年，其團隊利用基質膠對單個小鼠小腸Lgr5陽性干細胞進行3D培養，首次獲得了由單個細胞擴增形成的具有腸隱窩-絨毛結構的腸類器官，自此開啟了類器官研究的篇章。至今，研究人員已經成功構建腸道類器官、視網膜類器官、腦類器官、肝類器官、胰腺類器官、前列腺類器官、肺類器官、乳腺類器官、輸卵管類器官、海馬體類器官、胎盤類器官、皮膚類器官和對應器官的腫瘤類器官等[2]。

形成機制

類器官源自人類多能干細胞、組織特異性成體干細胞或誘導多能干細胞的定向分化，其形成本質上是組織器官發育或再生的體外重現。其三維結構和功能的重現取決于細胞自身潛能和外界環境的輔助：類器官的形成和延續依靠活躍的干細胞群及其子代，可以隨著時間的推移反復擴大其細胞培養物，而外界環境通過對細胞行為的影響而決定類器官三維結構和穩定生長的維持。

為了創建類器官，研究人員一方面需要對類器官起始的（干）細胞進行探索，包括組織器官的干細胞鑒定、生長分化譜系解析等，這是理解細胞自組織為類器官的基礎。另一方面則需關注培養環境，如將細胞外基質中作為細胞外支架，以支持三維結構、模擬體內環境的特定生長因子和蛋白質維持細胞的增殖和分化。常用的支架例如基質膠，在室溫條件下能夠聚合形成三維基質，能模擬體內細胞基底膜的結構、組分、物理特性和功能[3]。隨著生物材料和器官芯片等交叉學科的發展，也為類器官發展提供新型支架體系，再輔以器官特殊的生長因子等培養條件，助力類器官的形成。

除細胞自組織機制外，“黏附差異假說”指出黏附蛋白介導的細胞結合能降低自由能，進一步增強結合強度，使得聚集細胞的熵降低，維持熱力學穩定狀態以維持類器官穩定[4]。另外，對稱性破缺在體內發育或體外類器官形成過程中持續發生，是類器官亞結構產生的形成機制。最后，不同細胞類型的分化和空間限制等可能影響細胞重排，是決定類器官結構的關鍵。

類器官應用

類器官研究發展迅猛，是科學研究和臨床應用的熱點。越來越多的培養技術的革新，促進了更多的組織器官對應類器官的成功構建；干細胞技術的發展，為類器官的細胞潛能篩選和理論發展夯實基礎；生物材料、3D生物打印等前沿技術的交叉融合，推動了類器官的長遠發展和廣闊應用。

通過類器官建模可以給疾病研究提供新的切入點。在腫瘤精準醫療和藥物研發方面，2015年，克利夫斯團隊通過22例結直腸癌類器官庫證明類器官可用于高通量藥物篩選。2018年，另有研究人員利用原發性胃癌類器官在體外成功模擬胃癌不同分子亞型和疾病進展階段。2023年，利用肺癌類器官庫揭示了人肺腺癌的Wnt依賴型和非依賴型。在遺傳突變疾病研究方面，通過RNA干擾（RNAi）技術和患者來源的誘導多能干細胞建立的類器官來模擬小頭畸形，證明患者類器官的神經元過早分化，而這種缺陷可能有助于闡明疾病表型[5]。

通過類器官建模為人類發育提供新的體外模型，并結合基因編輯等遺傳學技術，有助于深入了解生物體的遺傳機制，為疾病治療提供基礎。2021年，筆者團隊通過豬和猴結腸類器官的成功建立，推動了動物腸道穩態調節的機制研究，并助力藥物開發和毒性研究。另有研究人員于2023年利用胎兒肺泡上皮祖細胞建立的組織類器官來模擬細胞譜系確定的關鍵機制。此外，通過腦類器官研究健康和疾病中的功能性人類小膠質細胞表型，還可提供巨頭畸形自閉癥患者的特異性免疫反應的實驗證據。2023年，克利夫斯團隊通過建立了一個基于人類脂肪肝類器官的CRISPR篩選平臺，成功篩選到了治療脂肪肝的潛在新靶點。

通過類器官模型可評估藥物的療效和副作用。2020年，華國強團隊對局部進展期直腸癌類器官進行了X射線、5-氟尿嘧啶和伊利替康刺激，并證實患者的臨床放化療反應與直腸癌類器官藥物敏感性之間的一致性達84.43%。2023年，證實肺癌類器官的藥物敏感性與臨床反應一致性達83.3%。目前，胡布雷克特類器官技術公司（Hubrecht Organoid Technology， HUB）已經建立由囊性纖維化患者組織培養起來的活體生物庫，以試驗新藥依伐卡托對患者的治療效應。

通過類器官擴增進行移植，還可用于修復和重建人體組織和受損器官。干細胞衍生的類器官能夠避開倫理問題和排斥反應，可以作為理想的移植器官模型。2013年，類器官被證明可以安全移植到動物體內，例如小腸類器官移植到體內仍可以保持部分重要特征。2022年，日本研究團隊將由患者自身健康的腸道黏膜干細胞培養的類器官移植入一例難治性潰瘍性大腸炎患者，這種再生醫療的嘗試屬于世界首創。雖然目前有關利用類器官移植重建和修復組織器官的報道較少，但仍是未來類器官技術發展和應用的目標和前景所在。

類器官應用已經深入生命領域的方方面面，相信隨著科學技術的發展，其應用價值和應用范式還會得到進一步體現[6]。

挑戰與展望

類器官技術正在蓬勃發展，雖然相對于傳統二維細胞模型或動物模型有較多優勢，且應用廣泛，但同時也面臨諸多挑戰。

目前構建的類器官只含有對應組織、器官的主要細胞類型，缺少血管、神經和免疫系統等，因此只能部分再現組織、器官的功能和特征。因此，構建功能性血管網絡是類器官領域的難題。2019年，研究人員曾成功誘導細胞發生趨內皮細胞定向分化，再經過其與神經外胚層細胞的自組織后形成了部分可貫通的血管網絡[7]。同時，也正在積極構建免疫環境共培養的類器官，2018年自體腫瘤類器官和外周血淋巴細胞的共培養被證明可誘導T細胞的特異性免疫反應。這些工作為進一步構建結構與功能更為復雜的類器官奠定了基礎。

除了構建多細胞的類器官外，建立多器官互作類器官系統也是一大難點。近年來器官芯片等技術也為此提供了解決方案。2017年成功構建心臟-肺-肝臟組成的三組織器官芯片系統，并證明了多組織整合對藥物療效和副作用的體外研究價值[8]。2021年秦建華團隊首次利用類器官芯片，建立了人誘導多能干細胞來源的肝-胰島類器官互作體系，為糖尿病等復雜代謝性疾病研究和新藥發現等提供了新策略和新技術。近年來，類器官與器官芯片技術的結合為構建多器官互作體系提供了新的解決方案。

類器官特定細胞排布和精細結構，有可能通過3D生物打印得到實現，設計出具有更多細胞特異性和良好分離特性的結構，更精細地支持不同細胞類型的生長和成熟，并保持其整體細胞多樣性。2019年成功利用3D生物打印機，用人體膠原蛋白為原料，成功打印出了可正常工作的心臟組織，其精細度可達20微米[9]。2020年成功整合類器官、生物材料和芯片技術，實現體外大尺度類器官的突破和腸上皮復雜結構的模擬。通過生物組織打印技術，有望創造出人體器官替代物。

多細胞特定空間重排技術，促進類器官在結構和功能上部分實現體外器官重構。2020年成功建立了膀胱“類組裝體”，即多層微型器官，通過在組織基質中將干細胞與上皮細胞、基質細胞、免疫細胞和肌細胞進行三維重構，從而精確地模擬人體組織，并用于藥物研發[10]。這些技術的輔助和融合彌補了類器官的不足，但其穩定性、重復性和一致性還需進一步提高。該領域仍需向著更加規范化、更加高度仿真的類器官的建立而努力。

展望未來，類器官的研究前景巨大。因其能維持異質性、效率高等優勢在腫瘤精準治療方面具有巨大潛力，在藥物研發方面也提供有效的模型研究。除此之外，對于全球超7000種罕見病也提供了新的研究機會。2021年類器官被列入科技部發布的“十四五”國家重點研發計劃的6個重點專項之一，國家藥品監督管理局藥品審評中心也將類器官列入基因治療及針對基因修飾細胞治療產品的指導原則當中，類器官應用迎來了政策利好的時期。總之，類器官技術的快速發展為科學研究提供了重要的模型研究工具，雖然也仍然面臨許多挑戰，但我們仍可預見其巨大的應用前景。

[1]Marsee A， Roos F J M， Verstegen M M A， et al. Building consensus on definition and nomenclature of hepatic， pancreatic， and biliary organoids. Cell Stem Cell， 2021， 28（5）： 816-832.

[2]Corrò C， Novellasdemunt L， Li V S W. A brief history of organoids. American Journal of Physiology-Cell Physiology， 2020， 319（1）： C151-C165.

[3]Seely K A， Aggeler J. Modulation of milk protein synthesis through alteration of the cytoskeleton in mouse mammary epithelial cells cultured on a reconstituted basement membrane. Journal of Cellular Physiology， 1991， 146（1）： 117-130.

[4]Steinberg M S. Reconstruction of tissues by dDissociated cells. Science， 1963， 141（3579）： 401-408.

[5]Lancaster M A， Renner M， Martin C-A， et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature， 2013， 501（7467）： 373-379.

[6]Li M， Izpisua B J C. Organoids—Preclinical models of human disease. New England Journal of Medicine， 2019， 380（6）： 569-579.

[7]Cakir B， Xiang Y， Tanaka Y， et al. Engineering of human brain organoids with a functional vascular-like system. Nature Methods， 2019， 16（11）： 1169-1175.

[8]Skardal A， Murphy S V， Devarasetty M， et al. Multi-tissue interactions in an integrated three-tissue organ-on-a-chip platform. Scientific Reports， 2017， 7（1）： 8837..

[9]Lee A， Hudson A R， Shiwarski D J， et al. 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart. Science， 2019， 365（6452）： 482-487.

[10]Kim E， Choi S， Kang B， et al. Creation of bladder assembloids mimicking tissue regeneration and cancer. Nature， 2020， 588（7839）： 664-669.

關鍵詞：類器官 三維培養技術 疾病模型 藥物評價 ■