2024年9月4日，太行本草研究院师生在科研楼202会议室开展组会学习，本次由冯媛老师进行“类器官研究思路介绍”专题分享。
长期以来科学家们都利用动物模型来进行疾病研究和药物开发，而随着生命领域科学技术的发展，类器官技术应运而生，以其高度模拟自然器官的特性，如结构、功能、发育及平衡机制，为癌症研究、传染病防控及遗传病机制等健康难题提供了创新路径。
01什么是类器官？
类器官（organoid），也被称为“迷你器官”或“微型器官”，是由多能干细胞或成体干细胞衍生而来的具有一定空间结构的组织类似物，能够最大程度地在体外再现活体器官或组织的结构和功能。类器官易获取，可以从几乎任何组织样本中获取，并长期稳定传代培养。类器官具有三维结构特征，保留细胞异质性，可自我更新、自我组织。与传统2D细胞培养模式相比，3D培养的类器官包含多种细胞类型，能够形成具有功能的“微器官”，能更好地用于模拟器官组织的发生过程及生理病理状态，因而在精准医学、疾病建模、药物筛选、新药研发和再生医学等领域具有广阔的应用前景。
类器官（doi: 10.1038/nature07935）
02类器官的发展历史
3D细胞模型的研究发展（doi: 10.1016/j.bioactmat.2022.03.039）
类器官的起源可以追溯到1907年，贝克罗莱那大学教授威尔逊发现通过机械分离的海绵细胞可以重新聚集并自组织成为新的具有正常功能的海绵有机体。直至2009年，类器官概念首次提出，证实成人肠道干细胞可以在体外增殖和自组织。其后，类器官模型涵盖了人体的多个器官和组织，如肠道、胃、肝脏、胰腺、肾脏、脑等。2013年，类器官技术被评为《Science》杂志的年度十大科学突破之一。2019年，《NEJM》指出类器官是研究肿瘤等人类疾病的绝佳临床前模型。2021年，中国将“类器官研究”列为“十四五”国家重点研发计划首批重点专项，新药评审中心明确可采用类器官模型为有效性和安全性评估提供补充信息。2022年6月，出版首个类器官药物敏感性检测专家共识。
当代类器官的发展成果，主要集中在近十余年。
2007年，Hans Clevers的实验室通过lineage tracing验发现小肠和结肠的干细胞为Lgr5+细胞。
2009年，Hans Clevers实验室使用单个鼠Lgr5+肠干细胞在体外自组织成为具有肠隐窝-绒毛结构的肠类器官。
2011年，由人多能干细胞和原代成体干细胞发育而来的肠类器官被成功制作。同年，由鼠胚胎干细胞培育而来的视网膜类器官被首次成功培育。
2012年，由人多能干细胞发育而来的视网膜类器官成功培育。
2013年，由人多能干细胞发育而来的脑类器官被成功培育。肝、肾、胰类器官被成功培育。
2014年，前列腺、肺类器官被成功培育。
2015年，乳腺、输卵管、海马体类器官被成功培育。
2020年，蛇毒液腺类器官被成功培育。
03类器官的培养
目前类器官分为两类：成体干细胞来源类器官和多能干细胞来源类器官。对于源于成体干细胞（ASCs）的类器官，将原发组织活检或切除组织制备成单细胞悬液，然后立即嵌入细胞外基质（ECM）中，随着组织的生长而变化，添加并定期改变培养基中的多种生长因子，直到类器官扩大。对于源于多能干细胞（PSCs）衍生的类器官，将PSCs的2D干细胞培养物（球状体）被嵌入细胞外基质，在3D培养基根据最终需要的组织类型的特定分化信号进行培养。
ASCs和PSCs衍生的类器官培养方案（doi: 10.3389/fmicb.2017.02402）
近年来，研究人员建立了类器官共培养模型，用于阐明细胞间相互作用、肿瘤内免疫反应以及肿瘤进化和个性化精准医疗的潜在机制方面的应用。类器官的共培养包括：1.与支持细胞共培养，包括间充质细胞、成纤维细胞等，在上皮类器官中加入支持细胞共培养，可促进类器官形成，用于研究疾病发展或组织再生中的细胞间相互作用。2.与血管内皮细胞共培养，能够促进类器官血管化，以复制实体器官近乎自然的功能，并为基础研究和生物医学研究创造高度相似的内部环境。3.与巨噬细胞/小胶质细胞共培养，能够再现炎症微环境，用于研究疾病模型中的炎症反应，或者更好地促进脑等复杂器官的类器官成熟，并提供更长久的实验周期。4.与微生物共培养，在正常类器官模型中加入病原微生物进行共培养，用于研究感染性疾病或者癌症发展或者将益生菌与类器官疾病模型进行共培养用于研究益生菌的保护或治疗作用等。
如图，建立肠类器官和乳酸菌（LPL）的共培养系统，LPL和肠类器官以7：1的比例培养于人工基底膜（Matrigel）中，可以从细胞培养孔中直接观察肠类器官和LPLs。培养第3天，类器官开始出芽。
肠道类器官和乳酸菌（LPLs）共培养模型（doi: 10.1038/s41418-018-0070-2）
04类器官的应用
类器官已广泛用于包括发育生物学、疾病建模、精准医学、再生医学、毒理学、药物发现研究、宿主-微生物组相互作用、基因编辑、多组学和系统发育研究等方向。在实际应用中，可以通过类器官对发育和疾病进行建模，可以进行药物筛选，助力新药研发和临床精准医疗。
在药物研究方面，我们将获取的临床样本进行类器官培养，通过基因测序、免疫荧光、HE染色等方法，从形态学、组织病理学以及分子遗传学等多个维度对类器官进行鉴定。培养好的类器官可以采用CCK-8、MTT、类器官面积/数量检测、HE染色、SYTOX Green染色、Calcein-AM/PI染色等方法进行药物筛选和药物作用及机制研究。采用中药片仔癀中的人参皂苷类成分G-Re和G-F2处理患者来源的结肠癌类器官（患者编号74、816、828和1482），结果显示，G-Re和G-F2显著抑制CRC类器官的生长，表明片仔癀中成分G-Re和G-F2可以直接在CRC中产生肿瘤抑制作用。
类器官模型在中药（片仔癀）研究中应用（doi:10.1053/j.gastro.2023.08.052）
05类器官芯片
类器官芯片（Organoids-on-Chips）是一种在芯片上构建的器官生理微系统，以微流控芯片为核心，通过与细胞生物学、生物材料和工程学等多种方法相结合，可以在体外模拟构建包含有多种活体细胞、功能组织界面、生物流体和机械力刺激等复杂因素的组织器官微环境，反映人体组织器官的主要结构和功能特征。
清华大学《探臻科技评论》2023“青年最关注的改变未来十大变革科技”榜单发布。类器官芯片被认为“打造仿生人体的体外模型，医药行业的颠覆性技术”上榜。类器官芯片可广泛应用于药物筛选、疾病模拟、个性化医疗、毒性测试等领域，应用前景十分广阔。
类器官芯片疾病模型构建方法（科技导报, 2022, 40(12): 42-52.）
06类器官的局限性
1.相较于癌症细胞系的培养，类器官的体外培养需要消耗更多的时间和资源。
2.相较于人体正常组织器官的生理环境，类器官缺乏结缔组织，血管和免疫细胞的微环境。
3.在类器官的培养过程中，一些体外因素如小鼠来源的细胞外基质替代物、胎牛血清等都可能会影响一些实验结果，比如药物筛选实验等。
4.由于干细胞衍生类器官的内在细胞命运定向和自组织，类器官在大小、形状和细胞成分方面通常是异质的。无论类器官是否来自不同的患者，在不同的实验室中建立，甚至从相同的干细胞中获得，都可能发生这种异质性。
07参考文献
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[6]王丽,骆沙曼,张淼,等.类器官芯片在疾病体外模型中的应用[J].科技导报,2022,40(12):42-52.
