类器官是在体外生产的器官的微型化和简化版本，在三维上显示出逼真的微观解剖结构。它们来源于组织中的一个或几个细胞、胚胎干细胞或诱导多能干细胞，由于其自我更新和分化能力，它们可以在三维培养中自我组织。自2010年代初以来，类器官生长技术迅速改进，并被《科学家》评为 2013年最大的科学进步之一。科学家们使用类器官在实验室研究疾病和治疗方法。

在体外制造器官的尝试始于第一个解离-重新聚集实验，其中亨利·范·彼得斯·威尔逊证明机械解离的海绵细胞可以重新聚集和自组织以产生完整的有机体。在随后的几十年中，多个实验室能够通过从两栖动物和雏鸡获得的器官组织的解离和重新聚集，在体外生成不同类型的器官 。机械解离的细胞聚集和重组以重组它们所获得的组织的现象随后导致了 Malcolm Steinberg的差异粘附假说。随着干细胞生物学领域的出现，干细胞在体外形成器官的潜力很早就实现了，观察到当干细胞形成畸胎瘤或胚状体时，分化的细胞可以组织成类似的不同结构在多种组织类型中发现的那些。类器官领域的出现始于从 2D 培养基中培养和分化干细胞到 3D 培养基的转变，以允许器官的复杂三维结构的发展。自1987 年以来，研究人员设计了不同的 3D 培养方法，并能够利用不同类型的干细胞生成类似于多种器官的类器官。2006 年， Yaakov Nahmias和 David Odde 展示了血管肝类器官的自组装在体外维持了 50 天以上。2008 年， Yoshiki Sasai和他在RIKEN研究所的团队证明，干细胞可以被诱导成神经细胞球，这些神经细胞可以自组织成不同的层。2009 年Hans Clevers实验室在Hubrecht 研究所和荷兰乌得勒支大学医学中心表明，单个表达LGR5的肠道干细胞在体外自组织形成隐窝绒毛结构，而无需间充质生态位。2010 年，Mathieu Unbekandt 和Jamie A. Davies证明了从小鼠胎儿来源的肾源性干细胞中产生肾类器官。随后的报告显示这些类器官在体外和体内具有显着的生理功能。

2013年，奥地利科学院分子生物技术研究所的Madeline Lancaster制定了一项方案，用于培养源自干细胞的大脑类器官，这些干细胞模拟正在发育的人脑细胞组织。2014 年，Artem Shkumatov 等人。伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的研究表明，心血管类器官可以通过调节它们粘附的底物硬度由ES 细胞形成。生理刚度促进了 EB 的三维度和心肌分化。

Lancaster 和 Knoblich 将类器官定义为器官特异性细胞类型的集合，这些细胞类型由干细胞或器官祖细胞发育而来，通过细胞分选和空间受限的谱系定型以类似于体内的方式自我组织，并表现出以下特点特性：

它具有多种器官特异性细胞类型；

它能够概括器官的某些特定功能（例如收缩、神经活动、内分泌、过滤、排泄）；

它的细胞被组合在一起并在空间上组织起来，类似于器官。

类器官的形成通常需要在 3D 培养基中培养干细胞或祖细胞。3D 培养基可以使用细胞外基质水凝胶制成，例如Matrigel或 Cultrex BME，这是一种富含层粘连蛋白的细胞外基质，由 Engelbreth-Holm-Swarm 肿瘤系分泌。然后可以通过在 3D 培养基中嵌入干细胞来制造类器官。当多能干细胞用于创建类器官时，这些细胞通常（但并非一直）可以形成拟胚体。然后用模式因子对这些拟胚体进行药理学处理，以驱动所需的类器官特征的形成。还使用从目标器官中提取的成体干细胞创建了类器官，并在 3D 培养基中培养。

大脑类器官描述了人工生长的体外微型器官，类似于大脑。大脑类器官是通过使用旋转生物反应器在三维结构中培养人类多能干细胞而产生的，并在几个月的过程中发育。该程序在大脑发育、生理学和功能的研究中具有潜在的应用。大脑类器官可能会对外部刺激产生“简单的感觉”，神经科学家Andrea Lavazza、Elan Ohayon和Hideya Sakaguchi表示担心此类器官可能会发育知觉。他们建议该技术的进一步发展需要经过严格的监督程序。 

肠道类器官是指概括胃肠道结构的类器官。胃肠道起源于内胚层, 在发育过程中形成一个管子, 可分为三个不同的区域，与其他器官一起, 产生以下胃肠道部分

前肠产生口腔和胃

中肠产生小肠和升结肠

后肠产生直肠和结肠的其余部分

迄今为止，肠道类器官一直是直接由多能干细胞产生的肠道类器官之一。驱动人类多能干细胞形成肠道类器官的一种方法是首先应用激活素A 驱动细胞进入中内胚层，然后通过药理学上调Wnt3a和Fgf4信号通路，因为它们已被证明促进后肠命运。肠道类器官也由肠道干细胞产生，从成人组织中提取并在 3D 培养基中培养。这些成体干细胞衍生的类器官通常被称为肠样或结肠样，取决于它们的起源部分，并且已经从人和鼠的肠道中建立。肠道类器官由围绕中央管腔的单层极化肠上皮细胞组成。因此，通过概括其功能、生理学和组织结构，概括肠道的隐窝绒毛结构，并维持结构中正常存在的所有细胞类型，包括肠道干细胞。因此，肠道类器官是研究肠道营养转运、药物吸收、肠促胰岛素激素分泌的宝贵模型，以及各种肠道病原体的感染。肠道类器官以高度保真度再现了隐窝-绒毛结构，它们已成功移植到小鼠肠道，因此被高度视为有价值的研究模型。肠道类器官已被利用的研究领域之一是干细胞生态位。肠道类器官被用于研究肠道干细胞生态位的性质，用它们进行的研究证明了IL-22在维持肠道干细胞方面的积极作用，以及证明其他细胞类型（如神经元和成纤维细胞）在维持肠道干细胞中的作用。在感染生物学领域，已经探索了不同的基于肠道类器官的模型系统。一方面，类器官可以通过简单地将它们与感兴趣的肠道病原体混合而被大量感染。然而，为了通过从肠腔开始的更自然的途径模拟感染，需要对病原体进行显微注射。此外，肠道类器官的极性可以反转，甚至可以解离成单细胞并培养为二维单层为了使上皮的顶端和基底外侧更容易接近。肠道类器官也显示出治疗潜力。

为了在体内更准确地概括肠道，已经开发了肠道类器官和免疫细胞的共培养物。此外，器官芯片模型将肠道类器官与其他细胞类型（如内皮细胞或免疫细胞）以及蠕动流结合起来。

胃类器官至少部分概括了胃的生理学。通过在三维培养条件下对FGF、WNT、BMP、视黄酸和EGF信号通路的时间操纵，直接从多能干细胞生成胃类器官。使用表达LGR5的胃成体干细胞也产生了胃类器官。胃类器官已被用作研究癌症以及人类疾病的模型和发展。例如，一项研究调查了患者转移性肿瘤群体 背后的潜在遗传改变，并确定与患者的原发性肿瘤不同，转移性肿瘤的TGFBR2基因的两个等位基因都发生了突变。为了进一步评估 TGFBR2 在转移中的作用，研究人员创建了 TGFBR2 表达被敲低的类器官，通过这些类器官，他们能够证明 TGFBR2 活性降低会导致体外和体内癌性肿瘤的侵袭和转移。

舌类器官是至少部分概括了舌头生理学方面的类器官。在三维培养条件下，通过操纵EGF、WNT和TGF-β ，使用表达BMI1的上皮干细胞生成了上皮舌类器官。然而，这种类器官培养物缺乏味觉受体，因为这些细胞不是由表达 Bmi1 的上皮干细胞产生的。[39]然而，含有味觉细胞的舌味蕾类器官是使用环绕 (CV) 乳头组织的LGR5 + 或CD44 + 干/祖细胞创建的。这些味蕾类器官已经成功地直接从分离的表达 Lgr5 或LGR6的味觉干/祖细胞中产生。间接地，通过分离、消化和随后培养含有 Lgr5+ 或 CD44+ 干/祖细胞的 CV 组织。

胸腺类器官胸腺类器官至少部分概括了胸腺的结构和干细胞生态位功能，胸腺是 T 细胞成熟的淋巴器官。胸腺类器官是通过在 3 维培养中接种胸腺基质细胞而产生的。胸腺类器官似乎成功地概括了胸腺的功能，因为将人类造血或骨髓干细胞与小鼠胸腺类器官共同培养导致了T 细胞的产生。

最近的一项研究表明，该技术可用于识别治疗戊型肝炎的新型药物，因为它可以概括整个病毒生命周期。

细胞排斥微量滴定板的最新进展允许针对胰腺癌的 3D 模型快速、经济地筛选大分子药物样库。这些模型在表型和表达谱上与David Tuveson博士实验室中发现的模型一致。上皮类器官

来自患者来源的外植体 (PDX) 或直接来自癌组织的脑癌 3D 类器官模型现在很容易实现，并且可以针对目前世界各地批准的药物组合对这些肿瘤进行高通量筛选。

类器官能够研究细胞如何在器官中相互作用、它们与环境的相互作用、疾病如何影响它们以及药物的作用。体外培养使该系统易于操作并有助于对其进行监测。虽然器官难以培养，因为它们的大小限制了营养物质的渗透，但类器官的小尺寸限制了这个问题。另一方面，它们并没有表现出所有器官特征，并且与其他器官的相互作用没有在体外重现。虽然干细胞和干细胞调节的研究是肠道类器官的第一个应用领域，但它们现在也用于研究营养物质的摄取、药物转运和分泌肠促胰岛素激素。这在吸收不良疾病以及代谢疾病（如肥胖、胰岛素抵抗和糖尿病）的背景下具有重要意义。

类器官提供了创建人类疾病细胞模型的机会，可以在实验室进行研究，以更好地了解疾病的原因并确定可能的治疗方法。在一个例子中，称为 CRISPR 的基因组编辑系统被应用于人类多能干细胞，以在与两种不同的肾脏疾病（多囊肾病和局灶节段性肾小球硬化症）相关的基因中引入靶向突变。这些 CRISPR 修饰的多能干细胞随后被培养成人类肾脏类器官，这些器官表现出疾病特异性表型。来自具有多囊肾病突变的干细胞的肾脏类器官从肾小管形成大的、半透明的囊肿结构。当在没有粘附线索（悬浮）的情况下培养时，这些囊肿在几个月内达到直径 1 厘米的大小。与局灶节段性肾小球硬化相关的基因突变的肾脏类器官在足细胞之间产生了连接缺陷，在该疾病中受影响的过滤细胞。重要的是，这些疾病表型在具有相同遗传背景的对照类器官中不存在，但缺乏 CRISPR 突变。这些类器官表型与小鼠和人类患病组织的比较表明与早期发育缺陷的相似之处。

正如 Takahashi 和 Yamanaka 在 2007 年首次开发的那样，诱导多能干细胞(iPSC) 也可以从患者皮肤成纤维细胞中重新编程。这些干细胞携带患者的确切遗传背景，包括可能导致人类疾病发展的任何基因突变。由于ORCL1突变，劳氏综合征患者已将这些细胞分化为肾脏类器官。该报告比较了从患者 iPSC 分化的肾脏类器官与无关的对照 iPSC，并证明患者肾细胞无法从高尔基复合体中调动转录因子 SIX2 。因为SIX2是帽间充质中肾单位祖细胞的一个很好表征的标志物，所以作者得出结论，在 Lowe 综合征中常见的肾脏疾病（近端小管重吸收或肾范可尼综合征）可能与肾单位引起的肾单位模式改变有关。祖细胞缺乏这种重要的SIX2基因表达。

其他研究使用 CRISPR 基因编辑来纠正患者在患者 iPSC 细胞中的突变，以创建同基因对照，这可以与 iPSC 重编程同时进行。将患者 iPSC 衍生的类器官与同基因对照进行比较是该领域当前的黄金标准，因为它允许将感兴趣的突变作为实验模型中的唯一变量进行隔离。在一份这样的报告中，将来自因 IFT140 中的复合杂合突变而患有Mainzer-Saldino 综合征的患者的 iPSC 的肾脏类器官与其中IFT140的同基因对照类器官进行了比较。CRISPR 纠正了导致无法生存的 mRNA 转录物的变体。患者肾脏类器官表现出与现有动物模型一致的异常纤毛形态，这些动物模型在基因校正的类器官中被拯救为野生型形态。从患者和对照类器官中纯化的上皮细胞的比较转录谱突出了涉及细胞极性、细胞-细胞连接和动力蛋白运动组装的途径，其中一些与肾纤毛病表型家族中的其他基因型有关。另一份使用等基因对照的报告表明，nephrin异常先天性肾病综合征患者产生的肾脏类器官位于肾小球。

使用 Clevers 小组建立的培养方案从直肠活检中培养出的肠道类器官已被用于模拟囊性纤维化，并导致类器官首次应用于个性化治疗。囊性纤维化是一种遗传性疾病，由囊性纤维化跨膜电导调节基因的基因突变引起，该基因编码健康上皮表面液体所必需的上皮离子通道。Jeffrey Beekman 实验室（荷兰乌得勒支大学医学中心威廉敏娜儿童医院）在 2013 年进行的研究表明，用毛喉素或霍乱毒素等 cAMP 激动剂刺激结肠直肠类器官会以完全依赖 CFTR 的方式诱导类器官快速肿胀. 尽管来自非囊性纤维化受试者的类器官由于流体输送到类器官的管腔而对毛喉素的反应会膨胀，但在源自囊性纤维化患者的类器官中，这种情况会严重减少或缺失。可以通过修复 CFTR 蛋白（CFTR 调节剂）的疗法来恢复肿胀，这表明个体对 CFTR 调节疗法的反应可以在临床前实验室环境中进行量化。施万克等人。2013 年还证明了肠道囊性纤维化类器官表型可以通过 CRISPR-Cas9 基因编辑进行修复。

Dekkers 等人的后续研究。2016 年的研究表明，源自囊性纤维化患者的肠道类器官之间毛喉素诱导的肿胀的定量差异与已知的诊断和预后标志物有关，例如 CFTR 基因突变或 CFTR 功能的体内生物标志物。此外，作者证明了具有特定 CFTR 突变的肠道类器官中的 CFTR 调节剂反应与已发表的这些治疗的临床试验数据相关。这导致了临床前研究，其中发现来自未注册治疗的极其罕见的 CFTR 突变患者的类器官对临床可用的 CFTR 调节剂有强烈反应。随后，在 Kors van der Ent（Wilhelmina 儿童医院儿科肺科，大学医学中心）的监督下，临床 CF 中心的成员在临床引入治疗后证实了基于临床前类器官试验对这些受试者进行治疗的建议临床益处荷兰乌得勒支）。个性化医疗。

类器官为研究人员提供了研究发育生物学的特殊模型。自从鉴定出多能干细胞以来，在使用 2D 培养物在体外指导多能干细胞命运 方面取得了巨大进步。PSC 命运方向的这些进步，再加上 3D 培养技术的进步，允许创建类器官，概括多个器官的各种特定子区域的特性。因此，这些类器官的使用极大地促进了我们对器官发生过程和发育生物学领域的理解。例如，在中枢神经系统发育中，类器官有助于我们了解构成视网膜杯形成的物理力。 最近的工作广泛延长了皮质类器官的生长期，在特定分化条件下将近一年，类器官持续存在并具有人类胎儿发育阶段的一些特征。

来源：IVD分享库

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