体外细胞培养是模拟人类发育和疾病的重要研究工具。过去，传统的单层细胞培养已被广泛应用，但由于缺乏组织结构和复杂性，不能反映真实的生物过程。近年来，类器官技术通过建立强大的三维模型来再现原始组织的细胞异质性、结构和功能，彻底改变了生物医学研究的体外培养工具。这种类器官技术使研究人员能够在培养皿中重建人体器官和疾病，为再生医学、药物发现和精准医学等诸多转化应用带来了巨大希望。

器官样细胞来源于胚胎干细胞、诱导多能干细胞、新生或成体干细胞、肿瘤细胞等。，在体外特定的3D环境中生长，形成微小的细胞团，自组织分化为功能细胞类型，再现内脏器官的结构和功能。

相似器官的发育过程

早在1907年，亨利·范·彼得斯·威尔逊就首次尝试在体外再生一个生物体，证明了分离的海绵细胞可以自组织并再生一个完整的生物体。几十年后，几个研究小组进行了分离再生实验，从分离的两栖动物肾脏和鸡胚中产生不同类型的器官。然而，自1981年从小鼠胚胎中分离并建立多能干细胞以来，干细胞研究开始蓬勃发展。但直到1998年，科学家才首次从人类囊胚中分离培养出胚胎干细胞。随后，通过对小鼠和人成纤维细胞进行重编程，建立了多能干细胞，对干细胞和类器官研究产生了巨大影响。2009年，类器官技术有了突破。Hans Clevers团队在体外成功培养出具有自我更新能力和保持肠窝绒毛结构的小鼠肠道器官。此后，器官培养拉开序幕，热度只增不减。经过近10年的快速发展，科学家们已经能够在实验室中利用细胞培养、分化、自组装成各种类似人体组织的3D结构，生产出视网膜、肝脏、肾脏、前列腺、肺、乳腺甚至大脑等各种器官。

图1。同类器官开发关键技术突破时间表

类似器官的发展前景

近年来，PubMed发布的文档中与类器官技术相关的文档数量呈线性增长。此外，2017年，《自然》杂志子刊《自然方法》将器官评价为生命科学领域的年度技术；2019年6月7日，Organoids登上《科学》杂志封面，本期为类器官特刊，类器官培养技术已在顶级期刊注册。

图2。在顶级期刊上发表的类器官技术

2021年1月28日，科技部发布《关于征求对“十四五”国家重点R&D计划6个重点专项2021年项目申报指南意见的通知》，将“类器官恶性肿瘤疾病模型”列为“十四五”国家重点R&D计划第一批重点专项任务。此外，“十四五”国家重点R&D计划强调指出，类器官作为一项重大技术突破，用于疾病模型的建立，可用于研究病理条件下干细胞的变异和异质性及其发生机制，探索疾病诊断和治疗的新靶点和新策略。从顶级期刊对类器官技术的报道以及科技部发布的文件中可以看出，类器官技术在未来会有很大的应用价值和发展前景。

图3。2021年，科技部发布《关于“十四五”国家重点研发计划的通知》

三维器官培养与传统模式的特征比较

传统的2D细胞或组织培养一直被用来模拟人类的发育和疾病。虽然2D细胞被广泛应用于许多生物医学研究，但它们通常被认为是细胞之间简单的物理接触，缺乏组织结构和复杂性。与2D细胞培养相比，类器官细胞具有更接近生理细胞组成和行为、基因组更稳定、更适合生物转染和高通量筛选等优点。与动物模型相比，类器官模型操作更简单，可用于研究疾病发生发展的机制。

图4。类器官和2D细胞培养及动物模型的比较

器官样应用

在许多生物医学研究中，类器官已成为主流的细胞培养工具之一，并广泛应用于开发和疾病建模、精密医学、毒理学研究和再生医学。

图5。类器官应用领域

2020年新年伊始，一场突如其来的灾难——新冠肺炎病毒肆虐全球，研究新冠肺炎的感染机制迫在眉睫。作为一种新的感染模式，类器官也做出了巨大的贡献。2020年4月17日，赵兵、林新华应用人体器官研究新冠肺炎感染和肝损伤的分子机制，为新冠肺炎细胞向性和致病机制研究及后续药物研发提供了重要工具。研究成果《SARS-cov-2感染与人肝导管器官样细胞对胆管细胞损伤的资本重组》在线发表在《蛋白质与细胞》杂志上，并在6月22日的新闻报道和《自然》杂志第一版图片中进行了重点报道。

图6。新冠肺炎感染与人体器官肝损伤机制的研究。《自然》杂志的新闻报道和主页图片强调了这一结果

器官类除了是一种传染病模型外，也是癌症研究和应用的热点。Hans Clevers还在2018年发表的综述文章《有机类化合物在癌症研究中的应用》中详细介绍了它们，可用于有机类化合物生物库、癌症个体化治疗、药物筛选和基础科学研究等。

图7。类器官在肿瘤研究中的应用

器官样培养细胞因子

参考文献:

1.器官类的简史。

2.器官类-人类疾病的临床前模型。

3.人肝导管样器官新型冠状病毒感染和胆管细胞损伤的概述。

4.癌症研究中的有机化合物