類器官

類器官（）是體外培養生成的立體細胞團，是特定器官的迷你簡化版本，模仿該器官的關鍵功能、結構和生物複雜性。類器官的培養可以起源於胚胎幹細胞或者成體幹細胞等多能性幹細胞、人工誘導性多能幹細胞以及癌症幹細胞，這些細胞的自我更新以及分化潛能賦予其在立體培養條件下中自組裝的能力。類器官的發展提供科學家與工程師在實驗室中研究疾病與藥物開發的簡化模型。協助個人化醫療、基因和細胞療法、組織工程和再生醫學等領域的發展。

歷史
體外培養器官的始於一個解離再聚集實驗，科學家亨利·範·彼特斯·威森發現透過機械方式打散的海綿細胞可以自發性地重新聚集並組裝成完整個體。在隨後的幾十年中，多個實驗室成功於兩棲動物和雞胚胎身上取得的器官組織重現解離後自組裝的實驗，在體外生成各類型的器官。這些透過機械外力打散器官後的細胞再聚集與自組裝的現象促致馬爾科姆·斯坦伯格提出了差異黏附假說（Differential adhesion hypothesis，DAH），以允許器官立體結構的發育。。如今，各類器官的培養方法已被提出並逐漸成熟。在20世紀90年代，除了ECM提供細胞生長物理性質上的支持被提出外，還報導了ECM內的成分透過與基於整合素的黏著蛋白通路相互作用而影響基因表現。2006年，Yaakov Nahmias和David Odde展示了血管肝类器官的自组裝在體外環境维持了50多天。2008年，日本理化学研究所的Yoshiki Sasai和他的团队证明，干细胞可以被诱导成神经细胞球並且自组织成独特的层狀構造。2009年，荷蘭皇家藝術與科學研究所和烏特勒支大學的Hans Clevers实验室表明，单个表达LGR5的肠干细胞可以在體外自组织成隐窝绒毛结构並且無須提供间质區位，这使它们成为第一个类器官。2010年，Mathieu Unbekandt和Jamie A. Davies证明了利用鼠胚衍生的肾干细胞可产生肾类器官。2014年，王群及其同事设计了基于I型胶原和层粘连蛋白的凝胶和合成泡沫生物材料，用于培养和運輸肠道类器官，并将DNA功能化的金纳米颗粒封装到肠道类器官中，成為可供药物運送與基因治療的肠道特洛伊木马（intestinal Trojan horse）。後續的研究显示这些类器官在體外和体内同樣具有显着的生理功能。

其他重大的早期进展包括2013年，奥地利科学院分子生物技术研究所的Madeline Lancaster制定了一项流程，可以从多能干细胞开始生成模仿人类大脑细胞组织发育的大脑类器官。荷蘭皇家藝術與科學研究所和烏特勒支大學医学中心的Meritxell Huch與Craig Dorrell证明，来自受损小鼠肝脏的单个Lgr5+细胞可以在基于Rspo1的培养基中複製並扩增數個月並最終形成肝类器官。2014年，伊利諾大學厄巴納-香檳分校的Artem Shkumatov等人证明，通过調控胚胎干细胞粘附的基质硬度，可以形成心血管类器官。生理上的硬度特性促进了EB的立體性質與心肌分化。2015年，Takebe等人通过将多能干细胞衍生的组织特异性祖细胞或相关组织样本与内皮细胞和间质干细胞相结合，展示了一种从不同组织形成器官芽的通用方法。他们认为，通过自组织凝聚原理产生的不太成熟的组织或器官芽可能是移植后重建成熟器官功能的最有效方法，而不是由發育上更加成熟阶段的细胞凝聚物。

特性
Lancaster和Knoblich。因此，源自干细胞的类器官能够在器官水平上研究生理学。立體培养基可以使用细胞外基质水凝胶（例如Matrigel或Cultrex BME）制成，这是一种富含层粘连蛋白的细胞外基质，由Engelbreth-Holm-Swarm肿瘤細胞株分泌，可以通过将干细胞嵌入基质中来制备类器官。

生物化學的特性已被纳入类器官培养中，藉由添加形态发生素、形态发生抑制剂或生长因子，可以誘導胚胎干细胞或成体干细胞發育成為类器官。血管化技術可用於賦予微環境在生理上接近其相對應部位的特性。可以藉由微流体系统、血管内皮生长因子输送系统和内皮细胞涂层模块来達成可促进氧气或营养物质进入类器官内部的血管系统和基于CRISPR/Cas9的基因编辑技术，可以生成基因組編輯或突變的多能幹細胞（PSCs），並改變信號傳遞特性，以控制器官模型內的內在性質。

類型
使用類器官可以再現多種器官結構。2023年，研究人员建造了一台混合生物计算机，将实验室培养的人脑类器官与传统电路相结合，可以完成语音识别等任务。脑类器官目前正用于研究和开发类器官智能（OI）技术。

胃腸道類器官
胃腸道類器官是指再現胃腸道結構的類器官。胃腸道起源於內胚層，在發育過程中形成一個管狀構造，可以分為三個不同的區域，與其他器官一起產生胃腸道的以下部分：。肠类器官由围绕中央管腔的单层极化肠上皮细胞组成。因此，通过再現肠道的功能、生理学和组织，并维持结构中正常存在的所有细胞类型（包括肠干细胞），再現肠道的隐窝绒毛结构、药物吸收和递送、纳米材料和纳米医学、肠泌素分泌和各种肠道病原体感染等議題的有力模型。

例如，王群团队利用肠类器官衍生的粘膜模型设计了人工病毒纳米顆粒作为口服药物递送载体（ODDV），并展示了利用新建立的结肠类器官作为高通量药物筛选、毒性分析工具的新概念。测试和口服药物开发。肠类器官还以如此高的保真度再现了隐窝绒毛结构，以至于它们已成功移植到小鼠肠道中，因此被高度视为有价值的研究模型以及其他細胞類型（如神經元和成纖維細胞）在維持腸道幹細胞的重要性。然而，为了模擬更接近自然情況下，由肠腔开始的感染途徑，需要使用病原体进行显微注射。此外，肠类器官的极性可以反转，甚至可以解离成单个细胞并以二维单层培养，以便使上皮的顶端和基底外侧更容易接近。最後，肠类器官也显示出用於治疗的潜力。

為了更準確地再現體內腸道，開發了腸道類器官和免疫細胞的共培養方式。

胃類器官
胃类器官部分地再現了胃的生理性質。通过在三维培养条件下对FGF、WNT、BMP、视黄酸和EGF信号通路进行时间尺度上的調控，可以從多能干细胞直接生成胃類器官。胃类器官也可以由LGR5+的胃成体干细胞产生。胃类器官已被用作研究癌症以及其他人类疾病发育的模型。然而，这种类器官培养物缺乏味觉受体或者Lgr5+或LGR6+的味觉幹细胞创建的。

其他

• 甲狀腺類器官
• 胸腺類器官

:: 胸腺是負責T細胞成熟的淋巴器官。胸腺類器官部分再現了胸腺的結構以及幹細胞區位的功能。胸腺類器官的培養是藉由在立體培養環境中接種胸腺基質細胞而達成的

• 前列腺類器官
• 肝臟類器官。近期的研究表明，該技術在協助戊型肝炎的新藥開發上十分有效，因為它可以重現整個病毒生命週期。

• 胰腺類器官

:: 细胞排斥性微量滴定板的最新进展使得能够快速、经济高效地筛选大分子药物（例如针对胰腺癌3D模型的库）。这些模型在表型和表达谱上与David Tuveson博士实验室发现的模型一致。

• 上皮类器官
• 肺类器官
• 肾类器官
• 原肠胚（胚胎类器官）——可以生成所有胚胎轴並且在前后轴的方向與Hox基因表达的形式共線
• 子宫内膜类器官
• 心脏类器官——2018年，中空心脏类器官被提出，並表現心搏且可以對刺激產生反應而改變跳動速度。
• 视网膜类器官
• 乳腺癌类器官
• 结直肠癌类器官
• 胶质母细胞瘤类器官

現今，來自患者的外植體（patient derived explants，PDX）或直接來自癌症組織的三維器官模型已經可以輕易製備，並且可將其用於現有核准藥物的高通量篩選。

• 神经内分泌肿瘤类器官
• 髓鞘類器官
• 血脑屏障类器官

由腦微血管內皮細胞（BMECs）、星形細胞和周細胞組成的自組裝細胞聚集體正逐漸成為物質穿膜和微流體模型的潛在替代方案。這些器官模型能夠生成血腦屏障（BBB）的許多特徵，如緊密連接的表達、分子運輸蛋白和藥物排出泵，因此可以用來模擬藥物穿越BBB的過程。此外，它們可以作為評估BBB與相鄰腦組織之間相互作用的模型，並提供了一個了解新藥物克服BBB的綜合能力以及其對腦組織的影響的平台。此類模型具有高度可擴展性，且比微流體裝置更容易製造和操作。然而，它們對於重建BBB的形態和生理學以及模擬生理流動和剪應力的能力有限。

基礎研究
类器官能够協助研究细胞與細胞間、細胞與环境之間的相互作用以及疾病和藥物如何影響他們的作用。體外培养使该系统易于操作及监测。器官的實際體積過大使得物質滲透受到限制而不易培養，但类器官的小尺寸可以規避此问题。另一方面，類器官并不表现出所有器官特征，并且与其他器官的相互作用在体外也无法重现。虽然腸道類器官的第一個研究方向是用於探討幹细胞特性的调控。这对于吸收不良疾病以及肥胖、胰岛素抵抗和糖尿病等代谢疾病具有重要意义。

疾病模型
类器官提供建立人类疾病细胞模型的机会，可以在实验室中进行研究以更好地了解疾病的原因并确定可能的治疗方法。类器官在这方面的潛力首次在小头畸形的遗传研究中顯現，其中患者细胞被用来制造脑类器官，这种类器官较小并且在早期神经元生成中表现出异常。与局灶节段性肾小球硬化症相关的基因发生突变的肾类器官，其足细胞（该疾病中受影响的过滤细胞）之间出现了細胞连接的缺陷。重要的是，这些疾病表型在具有相同遗传背景但缺乏CRISPR突变的对照类器官中不存在。这些干细胞携带患者的确切遗传背景，包括可能导致人类疾病发展的任何基因突变。由于ORCL1突变而患有Lowe综合征的患者已将这些细胞分化为肾脏类器官。该报告比较了患者iPSC与不相关的对照iPSC分化的肾类器官，并证明患者肾细胞无法调动高尔基体中的转录因子SIX2。将患者iPSC衍生的类器官与同基因对照进行比较是该领域当前的黄金标准，因为它允许将感兴趣的突变分离为实验模型中的唯一变量。在一份报告中，将源自IFT140复合杂合突变的Mainzer-Saldino综合征患者iPSC的肾类器官与等基因对照类器官进行比较，其中通过CRISPR修正了产生无活性mRNA转录物的IFT140突变体。

個人化醫療
Clevers小組建立的方法可以從直腸活檢樣本中培養出的腸類器官，目前已被用於模擬囊腫性纖維化，並促使類器官首次運用於個人化醫療。囊腫性纖維化是一種遺傳性疾病，由囊腫性纖維化穿膜傳導調節基因（Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR）的突變引起，該基因編碼位於健康上皮表面維持液體所需的離子通道。Jeffrey Beekman實驗室於2013年進行的研究描述，以毛喉素或霍亂毒素等cAMP升高激動劑刺激結直腸類器官，會以完全CFTR依賴性的方式誘導類器官快速腫脹。

2016年，Dekkers等人的後續研究表明，來自囊腫性纖維化患者的腸道類器官之間由毛喉素誘導的腫脹程度差異與已知的診斷和預後標誌物（例如CFTR基因突變或CFTR功能的體內生物標記）相關。

作為發育生物學的模型
類器官為研究人員提供了研究發育生物學的模型。自從多能幹細胞被提出後以來，利用二維培養在體外定向誘導多能幹細胞的分化已經取得了巨大的進展。近期的研究則專注於延長皮質類器官的生長週期並且取得顯著的進展。在一些研究中，類器官存在將近一年，並表現出人類胎兒發展階段的部分特徵。

參見

• 人工器官
• 器官培養
• 幹細胞
• 發育生物學

參考文獻