類(lèi)器官可能看起來(lái)像簡(jiǎn)單的細胞團塊，但它們正在改寫(xiě)疾病建模的規則。在實(shí)驗室中，微小的3D人類(lèi)細胞團正在自我組織成類(lèi)似于微型器官的結構——揭示了組織發(fā)育、功能和衰竭的復雜性。歡迎來(lái)到類(lèi)器官的世界：自我組織的3D細胞培養，它們正在重塑我們研究人類(lèi)生物學(xué)和疾病的方式。

　　類(lèi)器官不僅僅是2D培養的技術(shù)改進(jìn)——它們是一種范式轉變。它們既提供了體內模型的結構復雜性，又保留了體外實(shí)驗的可及性。對于研究阿爾茨海默病背后機制、測試結直腸癌藥物反應或模擬病毒感染影響的研究人員來(lái)說(shuō)，類(lèi)器官提供了一個(gè)特別的窗口來(lái)觀(guān)察生命系統，而無(wú)需離開(kāi)實(shí)驗室工作臺。

　　是什么讓類(lèi)器官如此特別？

　　類(lèi)器官最重要的貢獻之一是它們能夠作為更準確的疾病模型。通過(guò)密切模擬人類(lèi)組織的細胞復雜性和功能，類(lèi)器官彌合了簡(jiǎn)化的體外模型和復雜的體內系統之間長(cháng)期存在的差距。傳統的2D培養通常無(wú)法捕捉組織的三維組織，而動(dòng)物模型在代表人類(lèi)特異性反應方面可能存在不足。然而，類(lèi)器官提供了一個(gè)折中方案——既具有體外系統的可擴展性，又具有更接近人體器官的生理相關(guān)性。

　　類(lèi)器官真正令人興奮的地方在于它們能夠自我組織成不僅反映真實(shí)組織的結構，而且反映其發(fā)育動(dòng)態(tài)的結構。這不僅僅是模仿外觀(guān)——它們還表現出行為和反應，為我們了解人類(lèi)器官如何形成、適應或功能障礙提供了一個(gè)窗口。它們在具有多因素原因和復雜組織相互作用的疾病中具有重要意義。

　　類(lèi)器官可以源自多種細胞來(lái)源，包括患者特異性干細胞、成人組織干細胞，甚至腫瘤活檢。這種多功能性既可以實(shí)現個(gè)性化的疾病建模，也可以實(shí)現對發(fā)育和病理的標準化研究。

圖1|類(lèi)器官與其他模型系統的比較。改編自Sun, X, et al,2023 

　　類(lèi)器官的應用：

　　類(lèi)器官比傳統模型提供更高的臨床保真度，并且具有成本效益和效率，從而能夠更準確地進(jìn)行疾病模擬和快速的藥物功能測試。目前，類(lèi)器官主要用于四個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：

　　1.疾病建模

　　類(lèi)器官已成為研究器官發(fā)育和疾病機制的有力工具，其環(huán)境與人類(lèi)生理非常相似。它們源自患者組織或多能干細胞，保留了原生的遺傳和功能特征，因此非常適合研究從神經(jīng)發(fā)育和傳染病到代謝紊亂和癌癥的廣泛疾病。

　　在癌癥研究中，腫瘤來(lái)源的類(lèi)器官保留了原始腫瘤的遺傳異質(zhì)性和結構，包括與基質(zhì)細胞和免疫細胞的相互作用。這使得研究人員能夠以患者特異性的方式探索腫瘤進(jìn)展、侵襲和耐藥性的機制。類(lèi)器官已被證明在重現復雜的腫瘤微環(huán)境方面特別有用，并且現在被用于實(shí)時(shí)預測治療反應。

　　在神經(jīng)系統疾病領(lǐng)域，大腦類(lèi)器官能夠研究人類(lèi)大腦發(fā)育、突觸形成和神經(jīng)炎癥——這些過(guò)程在動(dòng)物中難以建模。它們提供了對諸如阿爾茨海默病、自閉癥譜系障礙、癲癇和小頭畸形等疾病的見(jiàn)解。 值得注意的是，大腦類(lèi)器官可以重現諸如tau聚集和淀粉樣斑塊發(fā)育等特征，從而為研究神經(jīng)退行性疾病和測試靶向療法提供了一個(gè)生理相關(guān)的平臺。

　　它們具有模擬早期疾病過(guò)程、組織特異性病理和患者變異性的能力，這使得類(lèi)器官對于發(fā)現疾病機制、識別新的治療靶點(diǎn)以及在與人類(lèi)相關(guān)的條件下驗證實(shí)驗性干預措施具有不可估量的價(jià)值。

圖2|類(lèi)器官的四個(gè)主要應用。改編自Sun, X, et al,2023

　　2.藥物發(fā)現赫毒性篩選

　　制藥行業(yè)面臨著(zhù)巨大的壓力，需要在降低開(kāi)發(fā)成本的同時(shí)，找到安全有效的藥物。類(lèi)器官通過(guò)提供可擴展的、高通量的平臺來(lái)模擬真實(shí)組織反應，從而提供了一種解決方案。研究人員現在可以在患者來(lái)源的類(lèi)器官模型中篩選數百種化合物，以評估治療潛力和毒性。例如，肝臟和腎臟類(lèi)器官被用于檢測脫靶效應，而腫瘤類(lèi)器官被用于預測對化療或靶向藥物的反應。將這些分析與微流控和人工智能驅動(dòng)的成像分析相結合，可進(jìn)一步提高通量和精確度。

　　3.再生醫學(xué)

　　類(lèi)器官不僅僅是模型——它們是組織替代的藍圖。它們在再生醫學(xué)中的應用包括重建受損組織、支持器官修復以及潛在地作為可移植的構建塊。生物打印、支架工程以及與免疫或血管細胞共培養系統的進(jìn)步已經(jīng)突破了可能的界限。雖然臨床應用仍處于早期階段，但來(lái)自腸道、視網(wǎng)膜和肝臟組織的類(lèi)器官已在臨床前模型中顯示出恢復喪失的功能和逆轉退化的前景。

　　4.個(gè)性化醫療

　　類(lèi)器官具有變革性的應用之一是為個(gè)體患者量身定制治療方案。通過(guò)培養來(lái)自患者來(lái)源組織的類(lèi)器官，臨床醫生可以在給藥前在體外測試藥物療效和耐藥性。這種方法已經(jīng)在結直腸癌、乳腺癌和胰腺癌等癌癥中顯示出臨床價(jià)值，其中腫瘤異質(zhì)性通常導致不同的治療結果。例如，在囊性纖維化中，當僅靠遺傳學(xué)不足以指導治療決策時(shí)，基于類(lèi)器官的分析已指導了治療決策。為了說(shuō)明這種方法的影響，讓我們看一個(gè)真實(shí)的例子：

　　案例研究：囊性纖維化和個(gè)性化藥物測試

　　類(lèi)器官應用的一個(gè)引人注目的真實(shí)案例可以在囊性纖維化(CF)研究中找到?？茖W(xué)家們從患者干細胞中培育出腸道類(lèi)器官，并利用功能性膨脹分析來(lái)評估CFTR調節藥物的有效性。這些類(lèi)器官會(huì )因離子和水的流入而膨脹，從而對有效治療做出反應——這是藥物起效的直接視覺(jué)提示。

　　這種分析使臨床醫生能夠預測具有罕見(jiàn)或知之甚少的CFTR突變的個(gè)體的藥物反應。在許多病例中，它為個(gè)性化治療提供了指導，而在這些病例中，僅靠基因檢測并不能提供明確的治療方案。該模型說(shuō)明了類(lèi)器官在藥物測試中的強大作用，并展示了其在精準醫療中的臨床實(shí)用性。

圖3|評估患者來(lái)源的類(lèi)器官中的CFTR功能

　　賦能技術(shù)：智能平臺的作用

　　類(lèi)器官研究在很大程度上依賴(lài)于支持性技術(shù)，就像依賴(lài)于細胞本身一樣?，F代平臺能夠實(shí)現精確的凝膠處理、長(cháng)期灌注和先進(jìn)的成像——所有這些對于可重復且生理相關(guān)的實(shí)驗至關(guān)重要。

　　像 µ-Slide Spheroid Perfusion 這樣的微流控工具提供可控的流動(dòng)來(lái)模擬體內條件，支持對生長(cháng)、藥物反應和組織結構的實(shí)時(shí)研究。

　　ibidi 的 µ-Patterning 技術(shù)可利用帶有圖案點(diǎn)的非粘性表面實(shí)現空間定義的細胞粘附。這種設置非常適合生成均勻的球體、研究細胞行為或使用高分辨率成像進(jìn)行CAR-T細胞殺傷測定。

　　最后，µ-Plate 96 Well 3D 將高通量能力與最小的凝膠使用量和光學(xué)質(zhì)量相結合——使其成為以標準化、高效的方式進(jìn)行篩選、3D細胞培養和實(shí)時(shí)成像的理想選擇。

　　超越單一類(lèi)器官：組裝類(lèi)器官系統

　　雖然傳統的類(lèi)器官提供了對單個(gè)器官行為的見(jiàn)解，但許多人類(lèi)疾病涉及多個(gè)組織之間的串擾。這導致了多器官類(lèi)器官系統(也稱(chēng)為組裝類(lèi)器官)的出現，該系統結合了不同的類(lèi)器官——例如大腦-脊髓或腸道-肝臟——以更好地復制生理相互作用。這些模型越來(lái)越多地用于在單個(gè)平臺上研究發(fā)育、全身藥物效應、激素信號傳導和免疫-器官通訊。它們的復雜性為模擬跨越多個(gè)器官系統的疾病和構建更全面的芯片上身體平臺開(kāi)辟了新的可能性。

　　最近的一個(gè)例子涉及一個(gè)心腎單元，其中來(lái)自hiPSC的心臟和腎臟類(lèi)器官在微流控芯片上組合在一起[10]。使用 µ-Slide III 3D 灌注，研究人員在靜態(tài)和流動(dòng)條件下保持了兩種類(lèi)器官的結構和功能完整性。該系統證明了灌注下類(lèi)器官共培養如何能夠支持未來(lái)對器官間信號傳導和疾病機制的研究——使該領(lǐng)域更接近集成的器官水平建模。

圖4|用于研究器官間串擾的雙類(lèi)器官系統

　　結論

　　隨著(zhù)科學(xué)不斷突破我們可以在人體外復制的界限，類(lèi)器官正處于創(chuàng )新的前沿。這些微小的、類(lèi)似器官的細胞團正在幫助科學(xué)家完成從疾病建模到新藥測試的所有工作，而這一切都離不開(kāi)實(shí)驗室。

　　隨著(zhù)我們不斷改進(jìn)這些模型并開(kāi)始將AI、組學(xué)和生物工程融入其中，我們正朝著(zhù)一個(gè)個(gè)性化的、器官水平的洞察力從實(shí)驗室到臨床床邊塑造醫學(xué)的未來(lái)邁進(jìn)。

　　要了解更多關(guān)于球狀體、類(lèi)器官和3D細胞培養的信息，可查看（ibidi雷萌）公眾號中的3D細胞培養合集，或聯(lián)系我們索要3D細胞培養應用指南。