什么是类器官以及它们是如何制造的

类器官是源自模拟人体器官结构、功能和细胞复杂性的多能干细胞的3-D细胞培养物。这些体外器官的微型化版本特别适合研究复杂的多细胞器官结构，例如大脑、视网膜、肾脏和肺，现在广泛用于研究器官发育和疾病。1个

类器官与球状体

研究人员经常使用常见的3-D培养技术来生产球状体——肿瘤研究中广泛使用的原代细胞或永生化细胞的圆形细胞簇。2类器官与这些结构相似，不同之处在于它们的形成始于组织特异性干细胞，这些干细胞自组装成功能器官成分的微观版本。1个

类器官是如何制造的?

类器官使研究人员能够研究基质贴壁细胞并了解器官发育。使用活体模型生物可能需要数年的过程现在在类器官培养中需要数月的时间。结合CRISPR基因组编辑技术，研究人员还使用类器官培养物来模拟无法通过其他方式获得的组织(例如大脑)中的遗传疾病。研究人员可以从肿瘤或患者来源的诱导多能干细胞(iPSC)中产生大量类器官，使它们成为药物筛选和个性化癌症治疗的理想模型。类器官培养方案不断改进，使研究人员有机会专注于新颖和有针对性的治疗，同时避免对人类受试者造成的风险。

类器官来源于人类多能干细胞(hPSC)、组织特异性成体干细胞或iPSC的定向分化。因为类器官来自活跃的干细胞群，研究人员可以随着时间的推移反复扩大他们的文化。为了创建类器官，科学家将多能细胞嵌入细胞外基质中，例如用于支持细胞的基质胶。模拟体内环境的特定生长因子和蛋白质维持干细胞表型。根据为研究选择的初始干细胞群和生长因子，嵌入基质的细胞将自组装成3-D类器官结构，其行为类似于特定组织。2,3,4

研究人员可以使用典型的组织培养室和标准设备来调整大多数协议。当用hPSC生成类器官培养物时，多能细胞最初与饲养细胞群一起培养，饲养细胞群提供维持干细胞多能性所需的生长因子。在hPSC从孔和饲养细胞群中酶解分离之前，允许它们在多孔板中形成菌落。然后，研究人员将多能菌落解离并铺在低附着的96孔板上。在1-2周内，细胞将开始形成胚状体，并且可以使用组织特异性诱导培养基诱导某些谱系。科学家可以将分化的胚状体嵌入Matrigel液滴中，然后冷冻保存或使用组织特异性培养基连续培养几个月。5现在还有许多商业资源可以提供预生成的冷冻保存类器官供购买。

类器官的类型及其应用

脑类器官

大脑是一个高度复杂的器官，具有人类独有的元素，因此使用动物模型研究大脑发育是相当无效的。科学家在3-D细胞培养方案中主要使用hPSC或小鼠胚胎干细胞以及神经刺激因子。研究人员设计了这些方案来促进细胞分化为代表特定大脑区域的类器官。随着这些大脑类器官发育并形成多个组织层，它们可以代表人类大脑在妊娠期间的实际进展。研究人员正在不断改进他们的方法，推动这些3-D大脑区域在孕龄进一步发育，以发现未知的大脑发育机制。然而，对于大脑的许多区域，在体外诱导早孕龄后的发育仍然是一个挑战。6个

肺是另一个难以研究的复杂组织。由于其多种细胞类型、高度血管化的结构和氧交换功能，2-D体外实验受到限制，体内研究成本高昂。代表肺泡组织的肺类器官于1980年首次开发，但直到30年后波士顿大学的DarrellKotton从小鼠胚胎成纤维细胞中纯化肺前体细胞并刺激BMP/FGF信号传导以诱导肺细胞分化时才真正成功。7此后，随着研究人员使用hPSC和iPSC模拟气道上皮细胞功能、追踪早期肺芽发育和进行肺癌筛查，技术得到了改进。肺在损伤后的再生能力方面也是独一无二的。因此，研究人员可以从成体干细胞中提取肺类器官。8这使得从患有遗传或环境疾病的成年患者身上生成肺类器官成为可能。最近，肺类器官已成为研究SARS-CoV-2对呼吸功能和发育影响的宝贵工具。9

胃/肠类器官

胃肠道具有许多功能，由必须协同工作的多个胚层组成。2011年和2014年，研究人员使用hPSC开发出第一个包含多种组织类型的肠和胃类器官。10,11然而，胃系统与神经细胞和免疫细胞密切相关，这使得许多方案在概括体内发生的事情的能力方面相对有限。让事情变得更复杂的是，胃和肠有自己的微生物组，它们影响从免疫反应到药代动力学的多个过程。考虑到这一点，研究人员最近制定了将肠道共生细菌与类器官共培养的方案，这可以模拟胃病并使研究人员能够研究微生物对癌细胞的影响。12,13

癌症类器官

患者来源的癌症类器官是研究癌症进展以及精准治疗设计和实施的宝贵工具。癌症类器官模型准确模拟患者肿瘤，科学家将它们用于基础研究和药物筛选。从肿瘤发展而来的类器官还具有令人惊讶的能力，即使在广泛传代时也能保持遗传和分子特征。14最近，研究人员开发了生成和筛选源自患者的类器官的方法，以便在几天内确定针对患者的特定疗法。15

3-D细胞培养和组合体

研究人员现在通过开发培养的组合体在器官建模方面更进一步，组合体是结合多个组织的下一代类器官。在多个不同区域和组织类型相互作用的器官(例如大脑)中，研究人员开发了将培养中的多个组织结合起来的方案，使他们能够观察和模拟影响细胞功能的组织相互作用。16最近，实验室将这些方案应用于越来越复杂的其他组织，迅速使组合体成为疾病建模的重要工具。