date:2025-06-09 10:09:48
引言
類器官可能看起來(lái)像簡(jiǎn)單的細(xì)胞團(tuán)塊，但它們正在改寫疾病建模的規(guī)則。在世界各地的實(shí)驗(yàn)室中，微小的3D人類細(xì)胞團(tuán)正在自我組織成類似于微型器官的結(jié)構(gòu)——揭示了組織發(fā)育、功能和衰竭的復(fù)雜性[1]。歡迎來(lái)到類器官的世界：自我組織的3D細(xì)胞培養(yǎng)，它們正在重塑我們研究人類生物學(xué)和疾病的方式。
類器官不僅僅是2D培養(yǎng)的技術(shù)改進(jìn)——它們是一種范式轉(zhuǎn)變。它們既提供了體內(nèi)模型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，又保留了體外實(shí)驗(yàn)的可及性。對(duì)于研究阿爾茨海默病背后機(jī)制、測(cè)試結(jié)直腸癌藥物反應(yīng)或模擬病毒感染影響的研究人員來(lái)說(shuō)，類器官提供了一個(gè)獨(dú)特的窗口來(lái)觀察生命系統(tǒng)，而無(wú)需離開實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)。
是什么讓類器官如此獨(dú)特?
類器官最重要的貢獻(xiàn)之一是它們能夠作為更準(zhǔn)確的疾病模型。通過(guò)密切模擬人類組織的細(xì)胞復(fù)雜性和功能，類器官?gòu)浐狭撕?jiǎn)化的體外模型和復(fù)雜的體內(nèi)系統(tǒng)之間長(zhǎng)期存在的差距。傳統(tǒng)的2D培養(yǎng)通常無(wú)法捕捉組織的三維組織，而動(dòng)物模型在代表人類特異性反應(yīng)方面可能存在不足。然而，類器官提供了一個(gè)折中方案——既具有體外系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，又具有更接近人體器官的生理相關(guān)性[2]。
類器官真正令人興奮的地方在于它們能夠自我組織成不僅反映真實(shí)組織的結(jié)構(gòu)，而且反映其發(fā)育動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)。這不僅僅是模仿外觀——它們還表現(xiàn)出行為和反應(yīng)，為我們了解人類器官如何形成、適應(yīng)或功能障礙提供了一個(gè)窗口。它們?cè)诰哂卸嘁蛩卦蚝蛷?fù)雜組織相互作用的疾病中具有重要意義。
類器官可以源自多種細(xì)胞來(lái)源，包括患者特異性干細(xì)胞、成人組織干細(xì)胞，甚至腫瘤活檢。這種多功能性既可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的疾病建模，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)育和病理的標(biāo)準(zhǔn)化研究。
圖1|類器官與其他模型系統(tǒng)的比較。改編自Sun, X., et al.,2023 [3]
類器官的應(yīng)用
類器官比傳統(tǒng)模型提供更高的臨床保真度，并且具有成本效益和效率，從而能夠更準(zhǔn)確地進(jìn)行疾病模擬和快速的藥物功能測(cè)試。目前，類器官主要用于四個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：
1.疾病建模
類器官已成為研究器官發(fā)育和疾病機(jī)制的有力工具，其環(huán)境與人類生理非常相似。它們?cè)醋曰颊呓M織或多能干細(xì)胞，保留了原生的遺傳和功能特征，因此非常適合研究從神經(jīng)發(fā)育和傳染病到代謝紊亂和癌癥的廣泛疾病。
在癌癥研究中，腫瘤來(lái)源的類器官保留了原始腫瘤的遺傳異質(zhì)性和結(jié)構(gòu)，包括與基質(zhì)細(xì)胞和免疫細(xì)胞的相互作用。這使得研究人員能夠以患者特異性的方式探索腫瘤進(jìn)展、侵襲和耐藥性的機(jī)制。類器官已被證明在重現(xiàn)復(fù)雜的腫瘤微環(huán)境方面特別有用，并且現(xiàn)在被用于實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)治療反應(yīng)[4]。
在神經(jīng)系統(tǒng)疾病領(lǐng)域，大腦類器官能夠研究人類大腦發(fā)育、突觸形成和神經(jīng)炎癥——這些過(guò)程在動(dòng)物中難以建模[5]。它們提供了對(duì)諸如阿爾茨海默病、自閉癥譜系障礙、癲癇和小頭畸形等疾病的見解。 值得注意的是，大腦類器官可以重現(xiàn)諸如tau聚集和淀粉樣斑塊發(fā)育等特征，從而為研究神經(jīng)退行性疾病和測(cè)試靶向療法提供了一個(gè)生理相關(guān)的平臺(tái)。
它們具有模擬早期疾病過(guò)程、組織特異性病理和患者變異性的能力，這使得類器官對(duì)于發(fā)現(xiàn)疾病機(jī)制、識(shí)別新的治療靶點(diǎn)以及在與人類相關(guān)的條件下驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)性干預(yù)措施具有不可估量的價(jià)值。
圖2|類器官的四個(gè)主要應(yīng)用。改編自Sun, X., et al.,2023 [6]
2.藥物發(fā)現(xiàn)赫毒性篩選
制藥行業(yè)面臨著巨大的壓力，需要在降低開發(fā)成本的同時(shí)，找到安全有效的藥物。類器官通過(guò)提供可擴(kuò)展的、高通量的平臺(tái)來(lái)模擬真實(shí)組織反應(yīng)，從而提供了一種解決方案[7]。研究人員現(xiàn)在可以在患者來(lái)源的類器官模型中篩選數(shù)百種化合物，以評(píng)估治療潛力和毒性。例如，肝臟和腎臟類器官被用于檢測(cè)脫靶效應(yīng)，而腫瘤類器官被用于預(yù)測(cè)對(duì)化療或靶向藥物的反應(yīng)。將這些分析與微流控和人工智能驅(qū)動(dòng)的成像分析相結(jié)合，可進(jìn)一步提高通量和精確度。
3.再生醫(yī)學(xué)
類器官不僅僅是模型——它們是組織替代的藍(lán)圖。它們?cè)谠偕t(yī)學(xué)中的應(yīng)用包括重建受損組織、支持器官修復(fù)以及潛在地作為可移植的構(gòu)建塊。生物打印、支架工程以及與免疫或血管細(xì)胞共培養(yǎng)系統(tǒng)的進(jìn)步已經(jīng)突破了可能的界限。雖然臨床應(yīng)用仍處于早期階段，但來(lái)自腸道、視網(wǎng)膜和肝臟組織的類器官已在臨床前模型中顯示出恢復(fù)喪失的功能和逆轉(zhuǎn)退化的前景[8]。
4.個(gè)性化醫(yī)療
類器官最具變革性的應(yīng)用之一是為個(gè)體患者量身定制治療方案。通過(guò)培養(yǎng)來(lái)自患者來(lái)源組織的類器官，臨床醫(yī)生可以在給藥前在體外測(cè)試藥物療效和耐藥性。這種方法已經(jīng)在結(jié)直腸癌、乳腺癌和胰腺癌等癌癥中顯示出臨床價(jià)值，其中腫瘤異質(zhì)性通常導(dǎo)致不同的治療結(jié)果。例如，在囊性纖維化中，當(dāng)僅靠遺傳學(xué)不足以指導(dǎo)治療決策時(shí)，基于類器官的分析已指導(dǎo)了治療決策。為了說(shuō)明這種方法的影響，讓我們看一個(gè)真實(shí)的例子：
案例研究：囊性纖維化和個(gè)性化藥物測(cè)試[9]
類器官應(yīng)用的一個(gè)引人注目的真實(shí)案例可以在囊性纖維化(CF)研究中找到。科學(xué)家們從患者干細(xì)胞中培育出腸道類器官，并利用功能性膨脹分析來(lái)評(píng)估CFTR調(diào)節(jié)藥物的有效性。這些類器官會(huì)因離子和水的流入而膨脹，從而對(duì)有效治療做出反應(yīng)——這是藥物起效的直接視覺(jué)提示。
這種分析使臨床醫(yī)生能夠預(yù)測(cè)具有罕見或知之甚少的CFTR突變的個(gè)體的藥物反應(yīng)。在許多病例中，它為個(gè)性化治療提供了指導(dǎo)，而在這些病例中，僅靠基因檢測(cè)并不能提供明確的治療方案。該模型說(shuō)明了類器官在藥物測(cè)試中的強(qiáng)大作用，并展示了其在精準(zhǔn)醫(yī)療中的臨床實(shí)用性。
圖3|評(píng)估患者來(lái)源的類器官中的CFTR功能
賦能技術(shù)：智能平臺(tái)的作用
類器官研究在很大程度上依賴于支持性技術(shù)，就像依賴于細(xì)胞本身一樣。現(xiàn)代平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)精確的凝膠處理、長(zhǎng)期灌注和先進(jìn)的成像——所有這些對(duì)于可重復(fù)且生理相關(guān)的實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要。
像 µ-Slide Spheroid Perfusion 這樣的微流控工具提供可控的流動(dòng)來(lái)模擬體內(nèi)條件，支持對(duì)生長(zhǎng)、藥物反應(yīng)和組織結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)研究。
ibidi 的 µ-Patterning 技術(shù)可利用帶有圖案點(diǎn)的非粘性表面實(shí)現(xiàn)空間定義的細(xì)胞粘附。這種設(shè)置非常適合生成均勻的球體、研究細(xì)胞行為或使用高分辨率成像進(jìn)行CAR-T細(xì)胞殺傷測(cè)定。
最后，µ-Plate 96 Well 3D 將高通量能力與最小的凝膠使用量和卓越的光學(xué)質(zhì)量相結(jié)合——使其成為以標(biāo)準(zhǔn)化、高效的方式進(jìn)行篩選、3D細(xì)胞培養(yǎng)和實(shí)時(shí)成像的理想選擇。
超越單一類器官：組裝類器官系統(tǒng)
雖然傳統(tǒng)的類器官提供了對(duì)單個(gè)器官行為的見解，但許多人類疾病涉及多個(gè)組織之間的串?dāng)_。這導(dǎo)致了多器官類器官系統(tǒng)(也稱為組裝類器官)的出現(xiàn)，該系統(tǒng)結(jié)合了不同的類器官——例如大腦-脊髓或腸道-肝臟——以更好地復(fù)制生理相互作用。這些模型越來(lái)越多地用于在單個(gè)平臺(tái)上研究發(fā)育、全身藥物效應(yīng)、激素信號(hào)傳導(dǎo)和免疫-器官通訊。它們的復(fù)雜性為模擬跨越多個(gè)器官系統(tǒng)的疾病和構(gòu)建更全面的芯片上身體平臺(tái)開辟了新的可能性。
最近的一個(gè)例子涉及一個(gè)心腎單元，其中來(lái)自hiPSC的心臟和腎臟類器官在微流控芯片上組合在一起[10]。使用 µ-Slide III 3D 灌注，研究人員在靜態(tài)和流動(dòng)條件下保持了兩種類器官的結(jié)構(gòu)和功能完整性。該系統(tǒng)證明了灌注下類器官共培養(yǎng)如何能夠支持未來(lái)對(duì)器官間信號(hào)傳導(dǎo)和疾病機(jī)制的研究——使該領(lǐng)域更接近完全集成的器官水平建模。
圖4|用于研究器官間串?dāng)_的雙類器官系統(tǒng)[10]
結(jié)論
隨著科學(xué)不斷突破我們可以在人體外復(fù)制的界限，類器官正處于創(chuàng)新的前沿。這些微小的、類似器官的細(xì)胞團(tuán)正在幫助科學(xué)家完成從疾病建模到新藥測(cè)試的所有工作，而這一切都離不開實(shí)驗(yàn)室。
隨著我們不斷改進(jìn)這些模型并開始將AI、組學(xué)和生物工程融入其中，我們正朝著一個(gè)個(gè)性化的、器官水平的洞察力從實(shí)驗(yàn)室到臨床床邊塑造醫(yī)學(xué)的未來(lái)邁進(jìn)。
要了解更多關(guān)于球狀體、類器官和3D細(xì)胞培養(yǎng)的信息，可查看（ibidi雷萌）公眾號(hào)中的3D細(xì)胞培養(yǎng)合集，或聯(lián)系我們索要3D細(xì)胞培養(yǎng)應(yīng)用指南。
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[10] Gabbin, B., et al., Heart and kidney organoids maintain organ-specific function in a microfluidic system. Mater Today Bio, 2023. 23: p. 100818.
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