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類(lèi)器官培養(yǎng)是一種新興的3D培養(yǎng)技術(shù)，已經(jīng)產(chǎn)生了來(lái)源于各種器官和組織的類(lèi)器官，如大腦、肺、心臟、肝臟和腎臟。與傳統(tǒng)的二維培養(yǎng)相比，類(lèi)器官培養(yǎng)系統(tǒng)具有保存親代基因表達(dá)和突變特征，以及在體外長(zhǎng)期保持親代細(xì)胞功能和生物學(xué)特性的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。類(lèi)器官的所有這些特征為藥物發(fā)現(xiàn)、大規(guī)模藥物篩選和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)開(kāi)辟了新的機(jī)會(huì)。類(lèi)器官的另一個(gè)主要應(yīng)用是疾病建模，尤其是各種難以在體外建模的遺傳性疾病，已經(jīng)通過(guò)結(jié)合基因組編輯技術(shù)用類(lèi)器官建模。在此，我們介紹了類(lèi)有機(jī)物技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展和最新進(jìn)展。

類(lèi)器官的研究可以追溯到1907年，當(dāng)時(shí)Wilson等人在體外條件下培養(yǎng)機(jī)械解離的海綿細(xì)胞以形成功能生物。1自那以來(lái)的幾十年里，類(lèi)器官研究主要通過(guò)細(xì)胞的分離和重組進(jìn)行。1975年，一項(xiàng)研究培育了原代人類(lèi)角質(zhì)形成細(xì)胞和3T3成纖維細(xì)胞，以產(chǎn)生類(lèi)似于人類(lèi)表皮的分層鱗狀上皮集落。2到20世紀(jì)80年代，第一批多能干細(xì)胞（PSCs）從小鼠胚胎中分離出來(lái)，并由人類(lèi)獲得，3干細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步為類(lèi)器官領(lǐng)域提供了新的思路。2009年，腸道成體干細(xì)胞（ASCs）在體外培養(yǎng)，形成具有隱窩絨毛結(jié)構(gòu)的小腸類(lèi)器官，4這是類(lèi)器官領(lǐng)域的一個(gè)里程碑式事件，證明了干細(xì)胞在體內(nèi)分化為類(lèi)似器官的空間結(jié)構(gòu)的潛力。從那時(shí)起，類(lèi)器官培養(yǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，并建立了衍生自各種器官的類(lèi)器官，如大腦、視網(wǎng)膜、肺、胃、肝、膽管、胰腺、和腎臟。

三維（3D）培養(yǎng)技術(shù)的快速發(fā)展在實(shí)現(xiàn)類(lèi)器官培養(yǎng)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。體內(nèi)細(xì)胞位于復(fù)雜的內(nèi)部環(huán)境中，它們受到多種信號(hào)和相互作用的影響，以建立、維持和調(diào)節(jié)細(xì)胞表型和特定功能。二維（2D）培養(yǎng)的細(xì)胞未能再現(xiàn)體內(nèi)正常的細(xì)胞形態(tài)和相互作用。在2D系統(tǒng)中培養(yǎng)的分離組織細(xì)胞逐漸失去形態(tài)，變得扁平、異常分裂，并影響細(xì)胞分化表型。21，22 2D附著往往導(dǎo)致細(xì)胞失去其原始形狀和分級(jí)結(jié)構(gòu)，并影響到細(xì)胞-細(xì)胞和細(xì)胞-細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和相互作用，導(dǎo)致細(xì)胞不能正確地再現(xiàn)組織或器官中存在的細(xì)胞功能和行為。23 2D腫瘤細(xì)胞系在長(zhǎng)期培養(yǎng)過(guò)程中逐漸失去其異質(zhì)性。同時(shí)，長(zhǎng)期傳代容易發(fā)生交叉污染。已經(jīng)證實(shí)，細(xì)胞系的基因組學(xué)和代謝組學(xué)與長(zhǎng)期傳代后的原始腫瘤有顯著差異。24 3D培養(yǎng)系統(tǒng)可以模擬細(xì)胞在活體中生活的物理化學(xué)微環(huán)境以及細(xì)胞間和細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用。25在3D系統(tǒng)中培養(yǎng)的細(xì)胞可以更好地表現(xiàn)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和特異性細(xì)胞的細(xì)胞功能，與親本高度匹配，并保持親本的遺傳穩(wěn)定性和染色質(zhì)異質(zhì)性。這些細(xì)胞可以在1-2周內(nèi)快速擴(kuò)增，并可穩(wěn)定地傳代和冷凍保存。

類(lèi)器官技術(shù)為開(kāi)發(fā)更接近現(xiàn)實(shí)生理和病理生理狀態(tài)的新模型鋪平了道路。在這篇綜述中，我們介紹了類(lèi)器官領(lǐng)域的發(fā)展和最新進(jìn)展，并描述了類(lèi)器官的主要細(xì)胞來(lái)源和培養(yǎng)方法。我們重點(diǎn)介紹了類(lèi)器官在基礎(chǔ)生物學(xué)和臨床研究中的應(yīng)用，如疾病建模和精確治療，并強(qiáng)調(diào)了它們的局限性和未來(lái)前景。

一、類(lèi)器官形成主要有以下幾類(lèi)：

PSC衍生類(lèi)器官；

ASC衍生類(lèi)器官；

腫瘤細(xì)胞衍生類(lèi)器官；

多譜系類(lèi)器官；

二、類(lèi)器官的培養(yǎng)方法：

Clevers小組開(kāi)發(fā)的浸沒(méi)培養(yǎng)是類(lèi)器官最廣泛使用的培養(yǎng)方法。在該方案中，將細(xì)胞或細(xì)胞簇嵌入細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）凝膠中，然后將細(xì)胞和基質(zhì)凝膠的混合物放入培養(yǎng)皿中形成圓頂，并添加培養(yǎng)基以浸沒(méi)圓頂。ECM凝膠起著結(jié)構(gòu)支持和提供ECM信號(hào)的作用，常見(jiàn)的ECM凝膠包括基底膜提取物、Matrigel和Geltrex。用于浸沒(méi)培養(yǎng)的培養(yǎng)基的主要成分由基礎(chǔ)，生長(zhǎng)因子，刺激因子，抗生素等組成，當(dāng)從不同組織形成類(lèi)器官時(shí)，培養(yǎng)基組分不同，需要添加或去除哪些特定因子通常取決于它們來(lái)源的組織對(duì)相應(yīng)信號(hào)或激素的需求。

1、Ali系統(tǒng)培養(yǎng)：

類(lèi)器官的3D培養(yǎng)條件可以使用由Ootani等人101首次提出的用于建立胰腺和胃腸道類(lèi)器官的ALI技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。將機(jī)械分離的組織碎片均勻地包埋在膠原凝膠中，將混合物平放在下面有多孔膜的內(nèi)培養(yǎng)皿中，并將混合物的頂部暴露于空氣中。將培養(yǎng)基加入外培養(yǎng)皿中。Kuo的團(tuán)隊(duì)使用ALI方法建立了各種患者來(lái)源的腫瘤樣體，包括一些罕見(jiàn)的腫瘤類(lèi)型，如膽管壺腹腺癌。38 ALI培養(yǎng)系統(tǒng)結(jié)合了兩個(gè)培養(yǎng)皿，可以同時(shí)支持類(lèi)器官和基質(zhì)細(xì)胞的生長(zhǎng)。值得注意的是，用這種方法形成的類(lèi)器官能夠保存功能性腫瘤浸潤(rùn)淋巴細(xì)胞（TIL），可以模擬出復(fù)雜的腫瘤免疫環(huán)境。

2、類(lèi)器官芯片培養(yǎng)系統(tǒng)

芯片上組織是一種微流體細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備，可以準(zhǔn)確控制細(xì)胞生長(zhǎng)的生物物理和生物化學(xué)環(huán)境，模擬細(xì)胞和微環(huán)境條件，以及組織間和多器官的相互作用，用于疾病建模和研究相關(guān)器官的功能；

盡管芯片上的有機(jī)物與類(lèi)器官有著根本的區(qū)別，但類(lèi)器官技術(shù)和芯片上有機(jī)物相結(jié)合產(chǎn)生的芯片上的類(lèi)器官可以彌補(bǔ)這兩種技術(shù)的不足，從而更好地作為模擬靶器官組織關(guān)鍵特征的更有效的臨床前模型。芯片上的器官細(xì)胞是隨機(jī)自發(fā)地自組織成3D結(jié)構(gòu)的，這與精心設(shè)計(jì)的芯片上的組織不同。109目前，許多研究已經(jīng)確定了大腦、心臟、胃腸道、肝臟和胰腺的芯片上器官。110-116 Cho等人110開(kāi)發(fā)了一種基于PDMS芯片的大腦芯片上器官，該系統(tǒng)可以增加氧氣供應(yīng)并促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物/廢物交換，以減少類(lèi)器官細(xì)胞的死亡。值得注意的是，這種培養(yǎng)系統(tǒng)可以形成成熟的大腦類(lèi)器官，并用于監(jiān)測(cè)整個(gè)人類(lèi)大腦的發(fā)育。最近的一項(xiàng)研究表明，芯片上的類(lèi)器官系統(tǒng)可以在小腸類(lèi)器官的管腔中產(chǎn)生缺氧梯度，并維持腸道微生物屏障。

除了上述培養(yǎng)方法外，還可以通過(guò)懸滴和旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)方法制備類(lèi)器官的3D系統(tǒng)。懸滴法利用重力和表面張力將細(xì)胞和特定培養(yǎng)基液滴的混合物懸掛在平板上。118旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)法可以通過(guò)不斷旋轉(zhuǎn)或攪拌細(xì)胞來(lái)防止細(xì)胞沉降，并提高營(yíng)養(yǎng)和氧氣的吸收，這已被用于大腦和視網(wǎng)膜類(lèi)器官的形成，120 Jacob等人121產(chǎn)生了患者來(lái)源的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤類(lèi)器官，保留了組織學(xué)和遺傳學(xué)特征以及部分微血管和免疫微環(huán)境。

類(lèi)器官的4個(gè)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

1. 構(gòu)建遺傳疾病類(lèi)器官

類(lèi)器官可以在體外模擬器官的發(fā)育，可用于建模和研究器官特異性遺傳疾病的機(jī)制；比如，肝類(lèi)器官是由α1-抗胰蛋白酶缺乏癥患者產(chǎn)生的，發(fā)現(xiàn)A1AT蛋白聚集在類(lèi)器官細(xì)胞中，這可能代表了α1-抗蛋白酶缺乏癥的關(guān)鍵病理和病理生理特征。其他肝膽遺傳性疾病，包括Alagille綜合征、Wilson病和Wolman病，已用肝膽類(lèi)器官建模。胰島類(lèi)器官已被用于模擬胰島素分泌相關(guān)的遺傳疾病，如Wolfram綜合征和先天性高胰島素血癥等。

Kim等人通過(guò)CRISPR-Cas9技術(shù)編輯了iPSC衍生的腎臟類(lèi)器官，以生成GLA突變的Fabry腎病模型，其應(yīng)用范圍從研究病理生理學(xué)到探索Fabry腎病的新治療方案。制備源自HAND1或NKX2-5敲除iPSC系的心臟類(lèi)器官，以模擬發(fā)育不全左心綜合征，妊娠前糖尿病誘導(dǎo)的先天性心臟缺陷也可通過(guò)人類(lèi)心臟類(lèi)器官進(jìn)行模擬；來(lái)源于神經(jīng)外胚層的器官遺傳病也可通過(guò)類(lèi)器官進(jìn)行建模；視網(wǎng)膜類(lèi)器官已被用作建模和研究遺傳性視網(wǎng)膜疾?。ㄈ缫暰W(wǎng)膜色素變性和Leber先天性黑蒙）機(jī)制的有力工具。

2. 構(gòu)建傳染病疾病類(lèi)器官

由于傳染源通常會(huì)感染特定的物種或細(xì)胞類(lèi)型，在研究這些疾病的發(fā)病機(jī)制和發(fā)展時(shí)，人類(lèi)模型優(yōu)于動(dòng)物模型,Ettayebi等人首先成功地用源自人類(lèi)腸道類(lèi)器官的上皮單層在體外培養(yǎng)了人類(lèi)諾如病毒，他們優(yōu)化了培養(yǎng)系統(tǒng)，使其能夠培養(yǎng)多種菌株。已經(jīng)用類(lèi)器官建立了流感病毒、人類(lèi)輪狀病毒和BK病毒的培養(yǎng)系統(tǒng);

盡管在治療方面取得了進(jìn)展，但病毒感染引起的肝臟疾病仍然是中國(guó)的一個(gè)國(guó)家健康問(wèn)題。當(dāng)肝炎病毒入侵和攻擊肝細(xì)胞時(shí)，免疫反應(yīng)被激活，殺死病毒和病毒感染的肝細(xì)胞，導(dǎo)致肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞變性和壞死，并伴有反應(yīng)性基質(zhì)組織增生，導(dǎo)致膠原纖維在肝臟中積聚,人類(lèi)肝臟類(lèi)器官已成為研究肝炎病毒感染的先進(jìn)工具，幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)產(chǎn)生了感染乙型、丙型肝炎的肝臟類(lèi)器官，和E病毒。最近的研究表明，當(dāng)來(lái)自健康供體的肝臟類(lèi)器官與重組病毒或HBV患者的血清共同培養(yǎng)時(shí)，類(lèi)器官被感染，病毒活性增強(qiáng)。

嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒2（SARS-CoV-2）是2019年冠狀病毒?。ㄐ鹿诜窝祝┑牟≡w，通常會(huì)導(dǎo)致發(fā)燒、咳嗽等中度呼吸道疾病，甚至急性呼吸道綜合征。目前已生成肺泡肺氣道和支氣管類(lèi)器官，用于模擬體內(nèi)SARS-CoV 2感染，研究新冠肺炎相關(guān)的病理生理學(xué)，此外，新冠肺炎還導(dǎo)致肺外疾病，包括胃腸和神經(jīng)癥狀，以及肝腎損傷，相應(yīng)的類(lèi)有機(jī)物已應(yīng)用于SARS-CoV-2相關(guān)研究。

類(lèi)器官模型在感染生物學(xué)中的應(yīng)用不僅限于病毒研究，還可以用于研究細(xì)菌和原生動(dòng)物寄生蟲(chóng)。已經(jīng)建立了隱孢子蟲(chóng)感染的人類(lèi)小腸和肺類(lèi)器官。同樣，通過(guò)血腦屏障類(lèi)器官探索了血腦屏障與惡性瘧原蟲(chóng)和萊姆氏神經(jīng)相關(guān)病之間的關(guān)系，最近的一項(xiàng)研究表明，Hp感染可以激活NF-κB信號(hào)通路，并上調(diào)RAS蛋白激活因子樣2（RASAL2）的表達(dá)，以促進(jìn)胃腫瘤細(xì)胞的增殖。RASAL2的下調(diào)可顯著抑制胃類(lèi)腫瘤的生長(zhǎng)。185傷寒沙門(mén)氏菌感染的小鼠膽囊類(lèi)器官有助于惡性轉(zhuǎn)化（TP53突變和c-MYC擴(kuò)增），并激活AKT和MAPK信號(hào)通路，從而促進(jìn)異常細(xì)胞增殖和向腫瘤的轉(zhuǎn)化。

總之，感染生物學(xué)的3D類(lèi)器官模型可以反映病原微生物和宿主細(xì)胞之間的相關(guān)性和相互作用，為傳染病的機(jī)制探索、治療和藥物開(kāi)發(fā)提供關(guān)鍵的臨床前模型。此外，類(lèi)器官和致癌病原體共培養(yǎng)系統(tǒng)的建立為進(jìn)一步研究生物病原體促進(jìn)腫瘤形成的機(jī)制提供了一個(gè)先進(jìn)的平臺(tái)。

3. 構(gòu)建代謝性疾病類(lèi)器官

目前，代謝性疾病對(duì)全世界的健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。然而，缺乏合適的模型限制了對(duì)潛在機(jī)制和潛在治療方法的探索。類(lèi)器官培養(yǎng)技術(shù)為該領(lǐng)域的研究提供了新的思路。

肥胖是一種常見(jiàn)的代謝性疾病，其特征是脂肪組織增加，增加患2型糖尿病和NAFLD的風(fēng)險(xiǎn)。脂肪類(lèi)器官已被用于研究脂肪相關(guān)代謝和肥胖模型。

酒精性肝?。?/span>ALD）是世界范圍內(nèi)最常見(jiàn)的慢性肝病之一。ALD的初始階段是酒精性脂肪肝，其特征是肝細(xì)胞的脂肪變性。一些患者會(huì)發(fā)展為酒精性脂肪性肝炎、肝纖維化和肝硬化，最終可能發(fā)展為癌癥和肝衰竭。195 Wang等人報(bào)告的ALD類(lèi)器官模型196是通過(guò)將人胎肝間充質(zhì)細(xì)胞/人ESC衍生的可膨脹類(lèi)肝器官與乙醇共培養(yǎng)系統(tǒng)處理而生成的。該模型可以模擬ALD病理生理學(xué)的典型特征，包括丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶和乳酸脫氫酶的分泌增加；細(xì)胞活力和凋亡降低；CYP2E和CYP3A4活性增加；氧化應(yīng)激增強(qiáng)；炎性細(xì)胞因子釋放增加；纖維化；以及ECM沉積增加。

4. 腫瘤類(lèi)器官構(gòu)建

目前，最常用的腫瘤學(xué)模型主要包括人類(lèi)腫瘤細(xì)胞系和患者來(lái)源的異種移植物（PDX）模型。然而，這些模型有一些不可避免的缺點(diǎn)。腫瘤細(xì)胞系包括原代（源自患者）和永生化腫瘤細(xì)胞。雖然原代癌癥細(xì)胞保留了母代腫瘤的一些特征，但其生長(zhǎng)速度慢、壽命短以及腫瘤缺乏復(fù)雜性限制了其應(yīng)用。永生化細(xì)胞具有無(wú)限的增殖能力，但在長(zhǎng)期培養(yǎng)和傳代過(guò)程中，它們通常不能代表原始腫瘤的表型并失去遺傳異質(zhì)性，這可能會(huì)增加臨床藥物篩選試驗(yàn)的失敗率。197 2D培養(yǎng)系統(tǒng)無(wú)法模擬體內(nèi)細(xì)胞生長(zhǎng)條件，并且2D培養(yǎng)物不能準(zhǔn)確地表示腫瘤的異質(zhì)性。PDX模型是通過(guò)將人類(lèi)腫瘤細(xì)胞移植到小鼠體內(nèi)并促進(jìn)這些細(xì)胞生長(zhǎng)和形成腫瘤來(lái)構(gòu)建的。異種移植模型可以保持親代腫瘤相對(duì)完整的生物學(xué)特征以及3D結(jié)構(gòu)和腫瘤間質(zhì)。研究已經(jīng)成功地產(chǎn)生了幾種腫瘤PDX模型，如肺腫瘤、結(jié)直腸癌、胰腺腫瘤、乳腺腫瘤、前列腺腫瘤和卵巢腫瘤。1982-202然而，一些缺點(diǎn)限制了它們成為優(yōu)秀的臨床前模型。異種移植模型通常是從少數(shù)腫瘤組織中建立的，這些組織不能完全繼承原發(fā)腫瘤的基因突變，并且隨著PDX的生長(zhǎng)，人類(lèi)腫瘤的間質(zhì)逐漸被小鼠間質(zhì)取代。203許多基于PDX模型的研究結(jié)果尚未在人類(lèi)試驗(yàn)中得到證實(shí)。204此外，PDX模型的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本較高，但成功率較低。24類(lèi)腫瘤保留了親本腫瘤的異質(zhì)性和組織病理學(xué)特征，并在長(zhǎng)期培養(yǎng)后保留了其3D結(jié)構(gòu)32，33205-207（表1）。Papaccio等人208報(bào)道，患者來(lái)源的結(jié)腸直腸類(lèi)腫瘤代表了相應(yīng)組織的形態(tài)學(xué)和免疫組織化學(xué)特征以及基因組和轉(zhuǎn)錄組學(xué)特征，并且這些來(lái)自不同患者的類(lèi)腫瘤對(duì)抗癌藥物的反應(yīng)各不相同。

用腫瘤類(lèi)器官重塑腫瘤免疫微環(huán)境。腫瘤樣品通過(guò)切除或活檢獲得，并解離成單個(gè)細(xì)胞以形成腫瘤類(lèi)器官。腫瘤類(lèi)器官是由腫瘤細(xì)胞建立，并通過(guò)浸沒(méi)法與自體T細(xì)胞共培養(yǎng)，可以誘導(dǎo)T細(xì)胞的特異性抗腫瘤作用，導(dǎo)致類(lèi)腫瘤的損傷和死亡。隨著ALI方法的應(yīng)用，腫瘤類(lèi)器官被用作初始細(xì)胞材料，生成保存癌相關(guān)成纖維細(xì)胞和免疫細(xì)胞的類(lèi)腫瘤細(xì)胞，可以在體外重現(xiàn)復(fù)雜的腫瘤微環(huán)境（使用BioRender.com創(chuàng)建）

有機(jī)化合物在精確醫(yī)學(xué)中的一個(gè)潛在應(yīng)用是開(kāi)發(fā)個(gè)性化癌癥治療。PDO可用于測(cè)試不同化療藥物的療效，并確定對(duì)該患者最有效的治療方法,Khan等人的一篇文章描述了類(lèi)器官在預(yù)測(cè)消化系統(tǒng)轉(zhuǎn)移性腫瘤患者對(duì)各種化療藥物和靶向藥物的反應(yīng)方面的應(yīng)用。

由于類(lèi)器官在靶向治療理論中的重要作用，類(lèi)器官也被用于進(jìn)行靶向藥物篩選和發(fā)現(xiàn)潛在的治療靶點(diǎn)。來(lái)自三種腫瘤類(lèi)型患者的卵巢腫瘤類(lèi)器官已被Phan等人用作高通量篩選平臺(tái)，以測(cè)試對(duì)240種蛋白激酶抑制劑的敏感性。

最后，類(lèi)器官可用于研究環(huán)境毒素和其他因素對(duì)人體組織的影響。通過(guò)將類(lèi)器官暴露在不同的環(huán)境條件下，研究人員可以研究空氣污染、有毒化學(xué)物質(zhì)和其他因素對(duì)人類(lèi)健康的影響，并確定減少暴露和預(yù)防疾病的個(gè)性化策略。