类器官的原理、应用与展望
类器官的原理、应用与展望
类器官技术通过在体外微小尺度上准确模拟人体器官的结构和功能复杂性，已成为探索生物学机理、理解疾病机制及推进再生医学的开创性工具。当前相关报道繁多，故迫切需要对研究现状进行全面系统总结。本综述对类器官研究的不同领域进行了深入的探讨，涵盖了类器官形成的基本原理、以器官为分类的广泛应用，以及类器官领域的挑战等。
图 1 图文摘要
复制人体组织的概念起源于20世纪70年代。为了实现这一目标，2D细胞培养模型已被广泛用于组织的体外培养。然而，该种平面模型与人类细胞天然状态相差甚远，会引发一系列诸如细胞形态改变和表面特征标记丧失的问题。动物模型相对来说更加仿生，但仍与人体环境有所偏差，且变量众多，难以判断出明确结果。自Hans Clevers教授于2009年首次披露类器官技术以来，该技术迅速崛起为生物学界的一颗璀璨新星，并促使全球范围内与之相关的报道数量在近十余年间显著攀升。类器官模型是基于体外3D细胞培养的组织工程模型，它具有与人体器官相似的组织学特征，并且能够部分模拟器官的生理功能。
类器官必须具备两个核心特征：首先，在培养过程中，细胞应具有自我组装的能力，形成高度有序的类似器官的组织，高度模拟体内组织发育发生的过程。其次，由干细胞分化诱导的类器官应具有自我更新的能力。在长期培养过程中，这些类器官可以经历传代，即可被消化分散为较小组织碎片，并进一步扩增分化。每个组织碎片内含有的干细胞来支持自我更新和自发组装过程。
类器官应用广泛，涵盖基础生物学（器官发育和疾病模型），以及生物医学应用（药物筛选和个性化医疗）。它们在模拟各种器官与系统的适应性方面展现出卓越能力，这凸显了它们将基础生物学知识转化为应对医学难题的有效手段的巨大潜力。迄今为止，已成功构建包括大脑、胃肠道、肝脏、肾脏、肺、心脏和骨骼等类器官。毫无疑问，类器官领域展现出广阔且充满希望的前景，全球的研究人员正在致力于提升类器官模型的精准度和可扩展性，充分挖掘其在再生医学及精准治疗方面的巨大潜力。本综述总结了类器官的原理和应用，我们希望借此探讨该新兴领域的趋势和尚未突破的挑战。
图 2 类器官研究的数据统计和构建原理 （A）过去10年中标题中包含“类器官”的文献数量。（B） 根据组织来源对文献所报道类器官进行分类（数据来源：Web of Science）。（C） 构建类器官的工作流程。示意图构建：Bionder.com
总结与展望
类器官研究正以惊人的速度发展，席卷了全球学术界和工业界。类器官作为一种多细胞培养模型，能精准反映个性化人体组织的多种特征，且兼容基因工程技术。类器官体外3D快速培养技术，使得高效、高通量分析如药物筛选，成为可能。因此，类器官技术在未来有可能彻底取代动物模型，成为验证药物有效性并推动其进入临床应用的重要手段。
然而挑战依然存在：其一，类器官缺乏天然器官的组织功能分区。其二，类器官的成功率参差不齐，决定因素复杂。因此，技术的标准化和规模化是领域的下一个里程碑。
本文原文来自The Innovation 姊妹刊The Innovation Life 第2卷第3期发表的Review文章“Organoids: Principle, application and perspective” (投稿: 2024-04-28；接收: 2024-08-06；在线刊出: 2024-08-28)。