類器官技術(shù)的發(fā)展為臨床前治療策略的開發(fā)開辟了嶄新的途徑。通過基于成體干細胞的類器官培養(yǎng)技術(shù)，能夠獲得、并且在體外條件下可以長期培養(yǎng)、接近生理狀態(tài)的3D培養(yǎng)物，為基礎(chǔ)科研和臨床轉(zhuǎn)化提供了一種非常靈活的工具。作為突破性前沿技術(shù)，類器官在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用盡管處于起步階段，但是已經(jīng)展示出的潛力和價值使科研人員對這一技術(shù)的發(fā)展和未來的應(yīng)用充滿期待。本文將簡要介紹類器官技術(shù)的模型構(gòu)建和應(yīng)用方向，希望能夠為對這一前沿技術(shù)感興趣的老師提供參考。

什么是類器官模型？

類器官（Organoids）是由干細胞在特定的體外培養(yǎng)條件下，通過自組織發(fā)育而來的能夠模擬體內(nèi)器官結(jié)構(gòu)和功能的三維結(jié)構(gòu)，包括了多種細胞類型。

類器官技術(shù)方面的突破發(fā)生在2009年，荷蘭烏得勒支大學(xué)醫(yī)學(xué)中心Hans Clevers實驗室率先發(fā)現(xiàn)成年小腸中存在的干細胞可以在體外增殖，并自組織成類器官[1]。

與傳統(tǒng)的二維細胞培養(yǎng)相比，類器官具有許多優(yōu)勢。例如，類器官能夠展示接近生理狀態(tài)的細胞組成和生理功能，許多類器官可以在培養(yǎng)過程中經(jīng)歷多次增殖傳代并維持基因組穩(wěn)定性，具有這些特征的模型特別適合用來作為生物樣本庫和高通量篩選。與動物模型相比，類器官模型可以降低實驗的復(fù)雜性，并且能夠應(yīng)用實時影像技術(shù)。而且更重要的是，動物模型很難或不能精確模擬人類發(fā)育和疾病的研究，而類器官模型卻可以做到這一點。

如何構(gòu)建類器官模型？

類器官技術(shù)的關(guān)鍵是獲得成體干細胞，然后在合適的培養(yǎng)條件下，重建來源組織的結(jié)構(gòu)和功能。類器官培養(yǎng)體系是構(gòu)建干細胞發(fā)育成具有特定結(jié)構(gòu)和功能的組織所需要的微環(huán)境。

類器官可以用來自手術(shù)切除的實體樣本或穿刺樣本進行構(gòu)建。對于實體組織，第一步是盡可能去除肌肉和脂肪等非上皮組織。然后，將原代組織用手術(shù)刀切割成小塊，再用酶來進行消化，從而將組織解離成單細胞懸液。下一步將單細胞懸液種植在3D細胞外基質(zhì)水凝膠上，如基底膜提取物（BME）、Matrigel或Geltrex。種植之后，需要加入包含生長因子的培養(yǎng)基來觸發(fā)干細胞的再生響應(yīng)。不同組織來源的類器官培養(yǎng)過程中需要的培養(yǎng)基成分是有差異的。

圖1??類器官的構(gòu)建過程[2]

構(gòu)建類器官模型之后，如何進行評價？

在構(gòu)建類器官模型之后，需要通過一些方法，來比較構(gòu)建的類器官和生理組織之間的相似性。例如，在構(gòu)建小鼠腸道類器官模型之后，作者通過免疫熒光染色、免疫組化、電子顯微鏡照片等手段檢測了類器官中是否包含了腸道隱窩結(jié)構(gòu)中常見的細胞類型，例如腸上皮細胞、杯狀細胞、潘氏細胞、以及腸內(nèi)分泌細胞。由此，可以說明構(gòu)建的腸道類器官能夠重現(xiàn)正常腸道組織包括的細胞多樣性。

圖2??類器官模型的評價[1]

類器官模型可以應(yīng)用在哪些研究方向？

在很大程度上，類器官應(yīng)該被視為一種目前正在快速發(fā)展中的模型系統(tǒng)，這一技術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域已經(jīng)展示出巨大的發(fā)展?jié)摿?。下面介紹一些類器官已經(jīng)嶄露頭角的應(yīng)用領(lǐng)域。

（1）建立生物樣本庫。例如，近期一項研究建立了胃癌的生物樣本庫。胃癌是一種異質(zhì)性的疾病，其特點是包括多種組織和分子亞型，例如微衛(wèi)星不穩(wěn)定（microsatellite instability, MSI）、EB病毒、腸染色體不穩(wěn)定（CIN）、彌散型等。腫瘤類器官的生物樣本庫作為一種體外細胞模型，利用測序技術(shù)可以獲得非常接近體內(nèi)腫瘤細胞的基因組特征，通過結(jié)合基因組測序數(shù)據(jù)和組織形態(tài)可以鑒定出各類腫瘤亞型。

圖3??胃癌類器官樣本庫[3]

（2）研究疾病發(fā)生的機制。例如，分別取正常組織、潰瘍性結(jié)腸炎非炎癥區(qū)域與炎癥區(qū)域的組織、以及結(jié)腸炎相關(guān)腫瘤組織來構(gòu)建類器官模型，通過對單克隆類器官的全外顯子測序和靶向測序，揭示了潰瘍性結(jié)腸炎發(fā)病過程中積累的體細胞突變。

圖4??利用單克隆類器官研究體細胞突變[4]

（3）預(yù)測藥物敏感性。將從病人獲取的腫瘤組織構(gòu)建類器官模型之后，用治療腫瘤的藥物進行處理，可以預(yù)測特定病人的腫瘤對藥物是否敏感。通過類器官模型對藥物處理的響應(yīng)可以指導(dǎo)臨床用藥。

圖5??利用從病人獲得的類器官進行藥物敏感性測試[2]

（4）再生醫(yī)學(xué)與器官修復(fù)。小腸是吸收營養(yǎng)的主要器官，大規(guī)模切除小腸會導(dǎo)致短腸綜合征（short bowel syndrome，SBS），這是一種嚴重的吸收障礙，以腹瀉、脫水和體質(zhì)量減輕為特征。近期一項研究將構(gòu)建的人回腸類器官移植到短腸綜合征大鼠模型中，移植后的類器官能夠生成一個高度血管化且具備功能的小腸化結(jié)腸，不僅包含脈管系統(tǒng)和神經(jīng)支配、絨毛結(jié)構(gòu)和乳糜管在內(nèi)的完整的小腸結(jié)構(gòu)，而且具有吸收膽固醇的生理功能。

圖6??利用回腸類器官對大鼠短腸綜合征疾病模型進行治療[5]