前言
類器官（organoids）是近年來生命科學(xué)領(lǐng)域一項(xiàng)令人矚目的突破。這種新興的研究模型不僅為疾病研究和藥物篩選提供了強(qiáng)大的工具，還在再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的潛力。類器官（英語：Organoid）是體外培養(yǎng)生成的立體細(xì)胞團(tuán)，是特定器官的迷你簡化版本，模仿該器官的關(guān)鍵功能、結(jié)構(gòu)和生物復(fù)雜性。
 

類器官的培養(yǎng)可以起源于胚胎干細(xì)胞或者成體干細(xì)胞等多能性干細(xì)胞、人工誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞以及癌癥干細(xì)胞，這些細(xì)胞的自我更新以及分化潛能賦予其在立體培養(yǎng)條件下中自組裝的能力。
 

1. 類器官發(fā)展的歷史
 

圖1 類器官的發(fā)展歷史源于再生醫(yī)學(xué)和干細(xì)胞研究的突破。

 
①起源（20世紀(jì)90年代前）：類器官的研究最初只是萌芽，科學(xué)家們正在嘗試模仿人體組織的生長。由于當(dāng)時缺乏合適的工具和技術(shù)，研究主要集中在2D的細(xì)胞培養(yǎng)上，這種平面環(huán)境不能很好地模擬人體內(nèi)的細(xì)胞生長狀態(tài)。
 
②突破（20世紀(jì)90年代末到2000年代初）：隨著干細(xì)胞技術(shù)的突破，荷蘭科學(xué)家（Hans Clevers）及其團(tuán)隊(duì)成功利用干細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)室中培育出第一個處理腸類器官。這個發(fā)現(xiàn)開啟了通往3D細(xì)胞培養(yǎng)的先河——細(xì)胞開始在實(shí)驗(yàn)室中長成小型的“器官”。
 
③3D培養(yǎng)技術(shù)的進(jìn)步（2010年代）：隨著3D培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展，研究人員們嘗試將不同的干細(xì)胞懸浮在特殊的基質(zhì)中，促使它們在三維空間中自我組織形成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，以形成特定的類器官。此時，類器官逐漸被用于模擬肝臟、大腦等各個器官，成為研究疾病和藥物的有力工具。
 
④多樣化與精細(xì)化（2020年代至今）：類器官技術(shù)持續(xù)進(jìn)化，現(xiàn)在科學(xué)家不僅可以培育出更復(fù)雜、更精細(xì)的類器官，還能通過基因編輯等技術(shù)實(shí)現(xiàn)個性化培育，幫助研究特定患者的疾病。
如今，類器官憑借其人源性、近生理性的優(yōu)點(diǎn)被更多用于研究癌癥、遺傳疾病，甚至藥物篩選，成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的重要的生物模型。
 
2. 類器官的培養(yǎng)方法
類器官可以在特定的3D培養(yǎng)系統(tǒng)中由胚胎干細(xì)胞（ESC）、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）、成體干細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞進(jìn)行構(gòu)建。
 
類器官構(gòu)建方法：
首先將來自人胚胎組織的胚胎干細(xì)胞或來自成體組織的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞進(jìn)行定向分化，產(chǎn)生漂浮的細(xì)胞聚集體——球狀體，然后將其轉(zhuǎn)移至特定培養(yǎng)基的細(xì)胞外基質(zhì)中進(jìn)行培養(yǎng)，形成類器官；或者將來自患者的原代組織分解成包含成體干細(xì)胞的功能單元，以及從腫瘤組織中分離的腫瘤細(xì)胞，在特定的三維培養(yǎng)基中進(jìn)行富集和培養(yǎng)，也可以形成類器官和類瘤細(xì)胞。
 
3D細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)是類器官產(chǎn)生的基礎(chǔ)，培養(yǎng)方法主要分為基于支架的3D細(xì)胞培養(yǎng)和無支架的3D細(xì)胞培養(yǎng)。
 
支架是類似于天然細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的生物凝膠或合成水凝膠，主要包含膠原蛋白、明膠、層粘連蛋白等。能夠模擬體內(nèi)環(huán)境中細(xì)胞與細(xì)胞間的相互作用以及細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用，允許細(xì)胞在支架上聚集、增殖和遷移，有利于體外細(xì)胞的培養(yǎng)和分化。
 
無支架的3D細(xì)胞培養(yǎng)是使用經(jīng)細(xì)胞排斥材質(zhì)處理的細(xì)胞培養(yǎng)皿或使用懸滴、微流控等特殊系統(tǒng)開展細(xì)胞培養(yǎng)，阻止細(xì)胞在器皿表面的貼附生長，迫使其聚集成細(xì)胞微球。這種方法得到的3D細(xì)胞模型具有完整的球體結(jié)構(gòu)，可以自發(fā)形成細(xì)胞外基質(zhì)，并良好地模擬體內(nèi)環(huán)境下的氧和營養(yǎng)梯度。

3. 類器官培養(yǎng)操作流程
 

圖2 類器官培養(yǎng)操作流程

主要包括以下幾個步驟：
 
①模型的構(gòu)建
選擇體外模型的源細(xì)胞：從人或動物體內(nèi)獲取合適的組織或細(xì)胞，如體細(xì)胞、成體干細(xì)胞或多能干細(xì)胞等。
 
②選擇培養(yǎng)基與3D細(xì)胞支撐材料
針對不同的類器官，可以采用基于支架的3D細(xì)胞培養(yǎng)或無支架的3D細(xì)胞培養(yǎng)方法，改變培養(yǎng)基成分和維持類器官生長所需的細(xì)胞因子等元素，對上述步驟得到的細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，從而得到類器官。
 
③類器官傳代
培養(yǎng)一段時間后，可以進(jìn)行傳代培養(yǎng)，以繼續(xù)擴(kuò)大類器官的數(shù)量或保持類器官的生理狀態(tài)。
 
④類器官鑒定與檢測
類器官培養(yǎng)成功后，需要對其進(jìn)行檢測和鑒定，以確保類器官與目標(biāo)器官的一致性。常用的檢測方法包括實(shí)時成像觀察、生物標(biāo)志物檢測（WB、免疫熒光、qRT-PCR、流式細(xì)胞術(shù)等）、基因測序等。
 
4. 類器官功能檢測方法
①電生理檢測
針對神經(jīng)或心臟類器官，電生理檢測技術(shù)用于評估其神經(jīng)元運(yùn)動、運(yùn)動電位或心肌收縮等功能表現(xiàn)。這些檢測反應(yīng)類器官在生理功能方面的成熟程度。
 
②藥物反應(yīng)測試
廣泛評估類器官的疾病模型中。通過向類器官施加不同的藥物，可以檢測細(xì)胞的增殖、收縮和功能性變化，用于評估藥物的毒性和疾病，特別適用于抗藥物癌癥藥物或抗感染藥物的篩選。
 
③成像檢測分析
通過活細(xì)胞成像技術(shù)，研究人員可以實(shí)時觀察類器官在生長、分泌和功能形成過程中的動態(tài)變化。使用活細(xì)胞成像儀/高內(nèi)涵分析等成像手段常用于觀察類器官結(jié)構(gòu)和細(xì)胞行為。
 
5. 類器官類型
類器官模型的優(yōu)勢在于其能夠在體外環(huán)境中重現(xiàn)復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)與功能，且與傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)模型相比，更加接近真實(shí)器官的生理特性，因此廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究、藥物篩選和疾病模型等領(lǐng)域。
 

圖3 常見的類器官模型

 
常見的類器官包括：
 
①大腦類器官
大腦類器官是通過神經(jīng)干細(xì)胞培養(yǎng)生成的，可以模擬大腦皮層的某些特征，如神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞的相互作用。
 

圖4 成纖維細(xì)胞產(chǎn)生自組織感覺神經(jīng)節(jié)類器官和視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。JuLI™ Stage 拍攝：一共記錄50小時。在拍攝記錄的50小時中，神經(jīng)元首先通過遷移形成更小的細(xì)胞簇，然后合并成感覺神經(jīng)節(jié)(SG)的細(xì)胞簇

②脊髓類器官

脊髓類器官是由干細(xì)胞生成的三維自組裝聚集體，能夠復(fù)制脊髓在體內(nèi)的發(fā)育、形態(tài)和功能特征。脊髓包含20多個不同的神經(jīng)元亞類，形成復(fù)雜精密的神經(jīng)回路，能夠感知刺激并產(chǎn)生運(yùn)動行為。
 

圖5 人類脊髓類器官的產(chǎn)生再現(xiàn)了神經(jīng)管的形態(tài)發(fā)生。JuLI™ Stage 4x物鏡拍攝：經(jīng)VPA和CBZ處理后脊髓樣類器官神經(jīng)管閉合失敗，其他組則表現(xiàn)正常，證明了VPA和CBZ有較高的畸形風(fēng)險(xiǎn) 

③腸胃類器官
腸道類器官由腸道干細(xì)胞培養(yǎng)而成，能夠模擬腸道的上皮組織、腺體、微絨毛等結(jié)構(gòu)。它們被廣泛用于研究腸道疾病、微生物群落與宿主的相互作用，以及藥物對腸道的影響。

④腫瘤類器官
腫瘤類器官是源自腫瘤組織中腫瘤特異性干細(xì)胞通過三維組織培養(yǎng)形成的細(xì)胞簇，它可模擬體內(nèi)腫瘤特征及腫瘤細(xì)胞異質(zhì)性，該技術(shù)的建立未為癌癥研究和治療提供了可靠的模型，特別是為個性化癌癥治療開辟了新的視野。
 

圖6 JuLI™ Stage 4x物鏡拍攝髓母細(xì)胞瘤21天，展示β受體阻滯劑對放射治療效果的影響

類器官作為體外疾病模型在藥物發(fā)現(xiàn)和個性化藥物篩選方面具有巨大潛力。單個類器官形態(tài)、數(shù)量和大小的動態(tài)變化可以指示重要的藥物反應(yīng)。也因此對細(xì)胞監(jiān)測的要求有更上一個臺階。JuLI™ Stage配置了4倍、10倍和20倍鏡以及相差功能，能夠滿足不同視場的觀察需求；可以箱內(nèi)長時程成像，能夠在不影響類器官發(fā)育的前提下，跟蹤記錄發(fā)育過程的形態(tài)特征，為類器官發(fā)育評估和體外培養(yǎng)體系的優(yōu)化提供依據(jù)。
 
備注：部分圖片來源網(wǎng)絡(luò)

文獻(xiàn)引用：
1. Won Y, Jang B, Lee SH, Reyzer ML, Presentation KS, Kim H, Caldwell B, Zhang C, Lee HS, Lee C, Trinh VQ, Tan MCB, Kim K, Caprioli RM, Choi E. Oncogenic Fatty Acid Metabolism Rewires Energy Supply Chain in Gastric Carcinogenesis. Gastroenterology. 2024 Jan 24:S0016-5085(24)00064-7.
2. Seo K, Cho S, Shin H, Shin A, Lee JH, Kim JH, Lee B, Jang H, Kim Y, Cho HM, Park Y, Kim HY, Lee T, Park WY, Kim YJ, Yang E, Geum D, Kim H, Cho IJ, Lee S, Ryu JR, Sun W. Symmetry Breaking of Human Pluripotent Stem Cells (hPSCs) in Micropattern Generates a Polarized Spinal Cord-Like Organoid (pSCO) with Dorsoventral Organization. Adv Sci (Weinh). 2023 Jul;10(20):e2301787.
3. Ali A, Syed SM, Jamaluddin MFB, Colino-Sanguino Y, Gallego-Ortega D, Tanwar PS. Cell Lineage Tracing Identifies Hormone-Regulated and Wnt-Responsive Vaginal Epithelial Stem Cells. Cell Rep. 2020 Feb 4;30(5):1463-1477.e7.
4. Syed SM, Kumar M, Ghosh A, Tomasetig F, Ali A, Whan RM, Alterman D, Tanwar PS. Endometrial Axin2+ Cells Drive Epithelial Homeostasis, Regeneration, and Cancer following Oncogenic Transformation. Cell Stem Cell. 2020 Jan 2;26(1):64-80.e13.