人體是從單個(gè)細(xì)胞到組織再到器官的有機(jī)集合，對于器官層面的科學(xué)研究而言，應(yīng)致力于建立更符合人體組織器官的細(xì)胞組成、生物結(jié)構(gòu)和功能的模型。類器官技術(shù)由此孕育而生。2021年，全球16個(gè)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(xì)胞、前體細(xì)胞和/或分化細(xì)胞通過細(xì)胞-細(xì)胞間以及細(xì)胞-基質(zhì)間的相互作用而自發(fā)組織形成的體外三維結(jié)構(gòu)，能在多個(gè)方面再現(xiàn)體內(nèi)相應(yīng)組織或器官的結(jié)構(gòu)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(nèi)器官結(jié)構(gòu)和功能、長期穩(wěn)定傳代培養(yǎng)等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)物相比，類器官更加接近器官生理狀態(tài)的細(xì)胞組成和行為。2013年，類器官技術(shù)被《科學(xué)》（Science）評為年度十大技術(shù)，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(yī)學(xué)雜志》（The New England Journal of Medicine）評為優(yōu)良的臨床前疾病模型。近10年來，類器官技術(shù)飛速發(fā)展，其應(yīng)用涉及多個(gè)方面，包括器官發(fā)育研究、疾病發(fā)生發(fā)展解析、精準(zhǔn)醫(yī)療、藥物研發(fā)等。

發(fā)展歷史

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

2007年，克利夫斯（H. Clevers）團(tuán)隊(duì)通過譜系追蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)腸干細(xì)胞為 Lgr5陽性細(xì)胞。2009年，其團(tuán)隊(duì)利用基質(zhì)膠對單個(gè)小鼠小腸Lgr5陽性干細(xì)胞進(jìn)行3D培養(yǎng)，首次獲得了由單個(gè)細(xì)胞擴(kuò)增形成的具有腸隱窩-絨毛結(jié)構(gòu)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(jīng)成功構(gòu)建腸道類器官、視網(wǎng)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(yīng)器官的腫瘤類器官等[2]。

形成機(jī)制

類器官源自人類多能干細(xì)胞、組織特異性成體干細(xì)胞或誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的定向分化，其形成本質(zhì)上是組織器官發(fā)育或再生的體外重現(xiàn)。其三維結(jié)構(gòu)和功能的重現(xiàn)取決于細(xì)胞自身潛能和外界環(huán)境的輔助：類器官的形成和延續(xù)依靠活躍的干細(xì)胞群及其子代，可以隨著時(shí)間的推移反復(fù)擴(kuò)大其細(xì)胞培養(yǎng)物，而外界環(huán)境通過對細(xì)胞行為的影響而決定類器官三維結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定生長的維持。

為了創(chuàng)建類器官，研究人員一方面需要對類器官起始的（干）細(xì)胞進(jìn)行探索，包括組織器官的干細(xì)胞鑒定、生長分化譜系解析等，這是理解細(xì)胞自組織為類器官的基礎(chǔ)。另一方面則需關(guān)注培養(yǎng)環(huán)境，如將細(xì)胞外基質(zhì)中作為細(xì)胞外支架，以支持三維結(jié)構(gòu)、模擬體內(nèi)環(huán)境的特定生長因子和蛋白質(zhì)維持細(xì)胞的增殖和分化。常用的支架例如基質(zhì)膠，在室溫條件下能夠聚合形成三維基質(zhì)，能模擬體內(nèi)細(xì)胞基底膜的結(jié)構(gòu)、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(xué)科的發(fā)展，也為類器官發(fā)展提供新型支架體系，再輔以器官特殊的生長因子等培養(yǎng)條件，助力類器官的形成。

除細(xì)胞自組織機(jī)制外，“黏附差異假說”指出黏附蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞結(jié)合能降低自由能，進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)合強(qiáng)度，使得聚集細(xì)胞的熵降低，維持熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)以維持類器官穩(wěn)定[4]。另外，對稱性破缺在體內(nèi)發(fā)育或體外類器官形成過程中持續(xù)發(fā)生，是類器官亞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的形成機(jī)制。最后，不同細(xì)胞類型的分化和空間限制等可能影響細(xì)胞重排，是決定類器官結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。

類器官應(yīng)用

類器官研究發(fā)展迅猛，是科學(xué)研究和臨床應(yīng)用的熱點(diǎn)。越來越多的培養(yǎng)技術(shù)的革新，促進(jìn)了更多的組織器官對應(yīng)類器官的成功構(gòu)建；干細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展，為類器官的細(xì)胞潛能篩選和理論發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)；生物材料、3D生物打印等前沿技術(shù)的交叉融合，推動了類器官的長遠(yuǎn)發(fā)展和廣闊應(yīng)用。

通過類器官建?？梢越o疾病研究提供新的切入點(diǎn)。在腫瘤精準(zhǔn)醫(yī)療和藥物研發(fā)方面，2015年，克利夫斯團(tuán)隊(duì)通過22例結(jié)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(fā)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(jìn)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(shù)和患者來源的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞建立的類器官來模擬小頭畸形，證明患者類器官的神經(jīng)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(fā)育提供新的體外模型，并結(jié)合基因編輯等遺傳學(xué)技術(shù)，有助于深入了解生物體的遺傳機(jī)制，為疾病治療提供基礎(chǔ)。2021年，筆者團(tuán)隊(duì)通過豬和猴結(jié)腸類器官的成功建立，推動了動物腸道穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的機(jī)制研究，并助力藥物開發(fā)和毒性研究。另有研究人員于2023年利用胎兒肺泡上皮祖細(xì)胞建立的組織類器官來模擬細(xì)胞譜系確定的關(guān)鍵機(jī)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(zhì)細(xì)胞表型，還可提供巨頭畸形自閉癥患者的特異性免疫反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。2023年，克利夫斯團(tuán)隊(duì)通過建立了一個(gè)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(diǎn)。

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

通過類器官擴(kuò)增進(jìn)行移植，還可用于修復(fù)和重建人體組織和受損器官。干細(xì)胞衍生的類器官能夠避開倫理問題和排斥反應(yīng)，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(nèi)，例如小腸類器官移植到體內(nèi)仍可以保持部分重要特征。2022年，日本研究團(tuán)隊(duì)將由患者自身健康的腸道黏膜干細(xì)胞培養(yǎng)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(yī)療的嘗試屬于世界首創(chuàng)。雖然目前有關(guān)利用類器官移植重建和修復(fù)組織器官的報(bào)道較少，但仍是未來類器官技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的目標(biāo)和前景所在。

類器官應(yīng)用已經(jīng)深入生命領(lǐng)域的方方面面，相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用范式還會得到進(jìn)一步體現(xiàn)[6]。

挑戰(zhàn)與展望

類器官技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，雖然相對于傳統(tǒng)二維細(xì)胞模型或動物模型有較多優(yōu)勢，且應(yīng)用廣泛，但同時(shí)也面臨諸多挑戰(zhàn)。

目前構(gòu)建的類器官只含有對應(yīng)組織、器官的主要細(xì)胞類型，缺少血管、神經(jīng)和免疫系統(tǒng)等，因此只能部分再現(xiàn)組織、器官的功能和特征。因此，構(gòu)建功能性血管網(wǎng)絡(luò)是類器官領(lǐng)域的難題。2019年，研究人員曾成功誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生趨內(nèi)皮細(xì)胞定向分化，再經(jīng)過其與神經(jīng)外胚層細(xì)胞的自組織后形成了部分可貫通的血管網(wǎng)絡(luò)[7]。同時(shí)，也正在積極構(gòu)建免疫環(huán)境共培養(yǎng)的類器官，2018年自體腫瘤類器官和外周血淋巴細(xì)胞的共培養(yǎng)被證明可誘導(dǎo)T細(xì)胞的特異性免疫反應(yīng)。這些工作為進(jìn)一步構(gòu)建結(jié)構(gòu)與功能更為復(fù)雜的類器官奠定了基礎(chǔ)。

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

類器官特定細(xì)胞排布和精細(xì)結(jié)構(gòu)，有可能通過3D生物打印得到實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)出具有更多細(xì)胞特異性和良好分離特性的結(jié)構(gòu)，更精細(xì)地支持不同細(xì)胞類型的生長和成熟，并保持其整體細(xì)胞多樣性。2019年成功利用3D生物打印機(jī)，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(xì)度可達(dá)20微米[9]。2020年成功整合類器官、生物材料和芯片技術(shù)，實(shí)現(xiàn)體外大尺度類器官的突破和腸上皮復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模擬。通過生物組織打印技術(shù)，有望創(chuàng)造出人體器官替代物。

多細(xì)胞特定空間重排技術(shù)，促進(jìn)類器官在結(jié)構(gòu)和功能上部分實(shí)現(xiàn)體外器官重構(gòu)。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(zhì)中將干細(xì)胞與上皮細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞、免疫細(xì)胞和肌細(xì)胞進(jìn)行三維重構(gòu)，從而精確地模擬人體組織，并用于藥物研發(fā)[10]。這些技術(shù)的輔助和融合彌補(bǔ)了類器官的不足，但其穩(wěn)定性、重復(fù)性和一致性還需進(jìn)一步提高。該領(lǐng)域仍需向著更加規(guī)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(zhì)性、效率高等優(yōu)勢在腫瘤精準(zhǔn)治療方面具有巨大潛力，在藥物研發(fā)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(jī)會。2021年類器官被列入科技部發(fā)布的“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的6個(gè)重點(diǎn)專項(xiàng)之一，國家藥品監(jiān)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(xì)胞治療產(chǎn)品的指導(dǎo)原則當(dāng)中，類器官應(yīng)用迎來了政策利好的時(shí)期?？傊?，類器官技術(shù)的快速發(fā)展為科學(xué)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(zhàn)，但我們?nèi)钥深A(yù)見其巨大的應(yīng)用前景。

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關(guān)鍵詞：類器官 三維培養(yǎng)技術(shù) 疾病模型 藥物評價(jià) ■