还在用2D细胞模型？火热的类器官技术了解一下

类器官是指来源于胚胎干细胞(ESCs)、诱导多能干细胞(iPSCs)、新生儿或成人干细胞(ASCs)，肿瘤细胞等，在体外特定的3D环境中生长，形成微小的细胞簇，自组织并分化成功能细胞类型，再现了体内器官的结构和功能（因此也被称为“微型器官”）。

类器官发展历程

早在1907年，Henry Van Peters Wilson第一次进行体外再生有机体的尝试，证明了分离的海绵细胞可以自我组织再生一个完整的有机体。几十年后，几个研究小组进行了分离-再生实验，从分离的两栖动物前肾和鸡胚中生成不同类型的器官。不过自从1981年从小鼠胚胎中分离和建立多能干细胞(PSCs)时，干细胞研究才开始蓬勃发展。但直到1998年，科学家才首次从人类囊胚中分离和培养出胚胎干细胞。随后，通过对小鼠和人成纤维细胞进行重编程，建立了多能干细胞，其对干细胞和类器官研究产生了重大影响。2009年，类器官技术有了突破性进展，Hans Clevers团队成功地在体外培养出具有自我更新能力，保持肠道腺窝绒毛状结构的小鼠肠道类器官，自此类器官培养拉开了序幕并且热度只增不减。经过近10年的快速发展，科学家们已经能在实验室利用细胞培育、分化、自组装成各种类似人体组织的3D结构，制造出视网膜、肝脏、肾脏、前列腺、肺、乳腺甚至是脑等在内的各种类器官。

图1.类器官发展中关键技术突破时间一览表

类器官发展前景

近几年，PubMed公开发表文献中涉及类器官技术的文献数量呈现直线上升。此外，2017年《自然》杂志的子刊《Nature Methods》评价类器官为生命科学领域的年度技术；2019年6月7日 Organoids 登上了《科学》杂志的封面，而且本期为类器官特刊，类器官培养技术已经登录各大顶级期刊杂志。

图2.类器官技术在各大顶级期刊上发表

2021年1月28日，科技部下发的《关于对“十四五”国家重点研发计划6个重点专项2021年度项目申报指南征求意见的通知》中，把“基于类器官的恶性肿瘤疾病模型”列为“十四五”国家重点研发计划中首批启动重点专项任务。另外，“十四五”国家重点研发计划中重点指出，类器官作为一项重大的技术突破被用于疾病模型的建立中，且可用于研究病理状态下干细胞变异、异质性及其发生机理，挖掘疾病诊疗的新靶标，探索诊疗新策略。从类器官技术逐渐被各大顶级期刊报道以及科技部下发的文件，我们可以看到类器官技术在未来将有非常大的应用价值和发展前景。

图3.2021年科技部下发“十四五”国家重点研发计划通知

3D类器官培养与传统模型特点对比

传统的2D细胞或组织培养长期以来被用于模拟人类发育和疾病。尽管2D细胞在许多生物医学研究中被广泛采用，但是通常被认为是细胞间单纯的物理接触，缺乏组织结构和复杂性。类器官与2D细胞培养相比具有更接近生理细胞组成和行为、更稳定的基因组、更适合于生物转染和高通量筛选等优势。而与动物模型相比，类器官模型的操作更简单，还能用于研究疾病发生和发展等机理。

图4.类器官和2D细胞培养、动物模型对比

类器官应用

在许多生物医学研究中，类器官已成为主流的细胞培养工具之一，并且广泛应用于发育和疾病建模，精准医学，毒理学研究和再生医学等。

图5.类器官应用领域

2020年新春伊始，一场突如其来的灾难-新冠肺炎病毒肆虐全球，新冠病毒感染机制研究迫在眉睫，类器官作为一种新型的感染模型也做出很大的贡献。2020年4月17日，赵冰、林鑫华团队应用人源类器官（Organoid）研究新冠病毒（SARS-CoV-2）感染和损伤肝脏的分子机制，为新冠病毒细胞嗜性、致病机制研究和后续药物研发提供重要工具，研究成果“Recapitulation of SARS-CoV-2 infection and cholangiocyte damage with human liver ductal organoids”在线发表于《蛋白质与细胞》（Protein & Cell），并于6月22日获《自然》新闻报道（Nature News）和首页图片高亮（Homepage Image Highlight）。

图6. 人源类器官研究新冠病毒感染和损伤肝脏机制成果获《自然》新闻报道和首页图片高亮

类器官除了作为感染疾病模型之外，其在肿瘤研究应用中也是一个热点，Hans Clevers在2018年发表的综述文章“Organoids in cancer research”中也详细进行介绍，可以用于类器官生物银行，肿瘤个体化治疗，药物筛选和基础科学研究等。

图7.类器官在肿瘤研究中的应用

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类器官培养细胞因子

参考资料：

1. A brief history of organoids.

2. Organoids-Preclinical Models of Human Disease.

3. Recapitulation of SARS-CoV-2 infection and cholangiocyte damage with human liver ductal organoids.

4. Organoids in cancer research

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