【科学普及】类器官——量身定制你的器官

原创 张羽帆、刘妍 细胞世界

如果把人体比作汽车，人体器官就像是汽车的各种“零件”，会在自然衰老或疾病的影响下不断出现磨损。人们渴望知晓这些磨损究竟如何发生，又有何办法能延缓甚至阻止它们的发生。虽然直至目前仍没有合适于在体外模拟疾病发展的人源性模型，但正在兴起的类器官技术可以进一步推动我们对不同疾病的认识，实现“观滴水而知沧海”。

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什么是类器官

由名及义，类器官是指由一簇具有自我更新、自我组织能力的细胞在体外构成的3D微型器官，在一定程度上类似于人体真实的组织器官。与2D细胞培养相比，类器官拥有与对应器官相似的细胞、空间组织，具有人体全部的遗传特征，因此能在体外长期培养并模拟真实器官的功能，在基础研究及临床诊疗方面有广阔的应用前景。

图1：从人诱导多能干细胞到特定脑区类器官（图片改编自1）

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类器官的起源及发展

让我们从1907年说起。那一年，美国贝克罗莱那大学教授威尔逊 (H. V. Wilson)发现海绵 (sponge) 细胞物理分离后可以重新聚集，并自组织成为新的具有正常功能的海绵有机体，这个发现为类器官的发展提供了可能。

干细胞技术出现为类器官的研究注入了蓬勃的活力，类器官的发展驶入了快车道：

1961年，多能干细胞（PSCs）被首次从小鼠胚胎中分离出来；1987年，A. J. Friedenstein发现间充质干细胞（MSCs） ；1998年，美国生物学家Thomson首次从人胚泡中分离培养出人胚胎干细胞（hESCs）； 2007年，日本科学家Yamanaka和Thomson分别完成了人诱导性多能干细胞（iPSCs）的建立；2001年，Suchun Zhang教授首次在体外将人胚胎干细胞诱导分化为具有神经管样结构的拟胚体，这也是人脑类器官的雏形。之后的几年里，Yoshiki Sasai研究团队发现诱导多能干细胞自组织形成具有大脑皮层结构和功能的神经球，Hans Clevers团队则使用鼠成体干细胞在体外自组织成为具有肠隐窝-绒毛结构的肠类器官。至此，类器官作为新型研究模型逐渐走入大家的视野。接着Lancaster 和Knoblich在Nature上报道了脑类器官的培育技术，并使用小头畸形患者特异性诱导的多能干细胞构建了患者人脑类器官模型，这也是首次正式提出脑类器官这一概念并应用为疾病模型。

目前，科学家们已成功培育出脑类器官、肠类器官、视网膜类器官、肺类器官、心脏类器官等。

图2：Lancaster构建的脑类器官模拟人脑发育和小头畸形2

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类器官能带给我们什么

首先，类器官可广泛应用于医学及其他方向探索上。作为一种新型模型，类器官在科学研究领域具有非常大的潜力。

图3：类器官技术的多种应用3

类器官最典型的应用是作为疾病模型及药物筛选。目前，人源性类器官作为疾病模型主要应用于遗传性、退行性、传染性等疾病。2021年，科学家成功培育出可以体外自主搏动的心脏类器官，该类器官可以自发形成空腔，自主跳动，无需支架支持，并且在受伤后可自主动员心脏成纤维细胞迁移修复损伤。研究人员可以借此构建人类心脏发生和心脏病模型，例如婴儿的先天性心脏缺陷和心脏病发作后的心脏细胞死亡。

图4：体外搏动的心脏类器官4

再来看脑类器官的探索性应用。2019年，加州大学旧金山分校的研究小组将人脑组织、人和黑猩猩iPSC来源的脑类器官、猕猴脑组织基因表达谱进行了分析比较。脑类器官不止可以用来模拟大脑发育，还可以作为疾病模型研究病理特征；2021年笔者课题组一项研究表明，唐氏综合征患者来源的人脑类器官存在皮层发育缺陷，而通过抑制DSCAM/PAK1通路表达可以对其进行挽救；2023年笔者课题组另一项研究表明，抑郁症患者衍生的GABA中间神经元异常神经活动与HTR2C相关，而采用小分子激动剂或遗传方法则可以挽救sMDD GINs的神经元活性缺陷。可见类器官作为疾病模型，不仅可以模拟疾病的发生发展过程，还可以用来进行药物的筛选进行针对性治疗。

此外，人脑类器官也被应用于再生医学及器官修复。相比于其他植入术医疗设备以及器官移植，人诱导多能干细胞诱导产生的脑类器官移植后受排斥的机会更低，可在病灶部位替换受损组织，这种应用目前主要集中在将脑类器官与动物体内生理环境相组合的探索阶段，以期进行中枢神经系统疾病建模和治疗。2018年，Fred H Gage团队将人脑类器官移植入成年小鼠脑内，观察到了人脑类器官的成熟和血管化，并发现人脑类器官与小鼠大脑之间形成了功能性突触连接；2020年，为了优化脑类器官用于深部脑区移植，笔者课题组开发了微型脑类器官，并在移植入小鼠内侧前额叶皮层后成功观察到皮质下跨越多个脑区的长投射；2022年，Sergiu P Pasca团队将皮质类器官原位移植于新生无胸腺大鼠体感皮层中，构建出人鼠混合脑类器官—t-hCO，这种类器官在整合入宿主大脑后成功生长，并参与神经环路、调节大鼠神经元活动和行为反应，提示鼠脑在体环境能够支持类器官的生长与成熟；2023年，笔者课题组将人脑类器官移植入卒中小鼠皮层梗死核心区，发现移植后梗死区域组织获得重建。尽管类器官应用于人体组织再生还有很长的路要走，这些成功的移植已然为类器官在再生医学中的应用夯实了基础。

图5：微型脑类器官在用于深部脑区移植后产生投射

（图片改编自5）

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展望

作为一项新兴技术，类器官技术还有诸多亟待改进之处，比如其培养成本较高，这就要求我们进一步标准化起始细胞类型与流程，优化细胞因子的选择，进一步改良培养基及基质胶组成。此外，随着培养过程中体积的增长，由于氧气的缺失和代谢废物的增加，大多数不具有血管结构的类器官可能会出现组织坏死，因此研究人员们正在着手攻克类器官血管化这一难点。最后，类器官的构建方法多为手工构建，在其细胞数量、类型比率、3D形态方面缺乏控制，批量生产精准稳定的模型，进一步降低类器官培育的异质性以及提高其可重复性，是领域内目前需要解决的问题之一，近年来类器官与细胞3D打印技术的结合不失为一种好的构建方法。

总体而言，随着技术的发展以及多学科之间的结合，类器官将进一步向临床研究和医学应用转化，为人类疾病研究和发育探索带来更多可能。

作者简介

张羽帆 硕士研究生 南京医科大学药学院

科普指导：刘妍 南京医科大学药学院/生殖医学与子代健康全国重点实验室，致力于人脑类器官技术开发及其在神经系统疾病研究中的应用

参考文献

1. Qian, X., et al. Brain-Region-Specific Organoids Using Mini-bioreactors for Modeling ZIKV Exposure. Cell 165, 1238-1254 (2016).

2. Lancaster, M.A., et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature 501, 373-379 (2013).

3. Corrò, C., Novellasdemunt, L. & Li, V.S.W. A brief history of organoids. Am J Physiol Cell Physiol 319, C151-C165 (2020).

4. Lee, J., et al. In vitro generation of functional murine heart organoids via FGF4 and extracellular matrix. Nat Commun 11, 4283 (2020).

5. Huo, H.-Q., et al. Modeling Down Syndrome with Patient iPSCs Reveals Cellular and Migration Deficits of GABAergic Neurons. Stem Cell Reports 10, 1251-1266 (2018).

原标题：《【科学普及】类器官——量身定制你的器官》

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