類器官——研究疾病的利器,再生醫學的未來

Nature Methods 如此評價類器官技術：利用幹細胞直接誘導生成三維組織模型，為人類生物學研究提供了強大的方法。

幹細胞研究已經成為了生物學研究的一個重要分支，而研究幹細胞的目的之一是幫助我們更好的理解生命發生的各個維度。細胞和細胞之間通過間質連接在一起形成細胞團，由於細胞內基因的差異化表達，進而形成了各類器官和組織。   

長期以來，科學家們都利用動物模型來進行疾病研究和藥物開發。

而隨著幹細胞技術的發展，科學家們可以利用新的培養方法，將多能幹細胞或/和成體幹細胞誘導產生一些類似於體內組織或者器官的三維結構——於是，類器官誕生了。  

    

圖1：大腦類器官  

本文將從「類器官」的基本概念，發展歷史，治療潛能，癌症研究進展和未來前景進行詳細介紹。

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類器官的基本概念

顧名思義，類器官（Organoids），即是指它類似於組織器官。其實，它本身是一種基於3D體外細胞培養系統建立的，與體內的來源組織或器官高度相似的一種模型。這些3D體外培養系統可複製出已分化組織的複雜空間形態，並能夠表現出細胞與細胞之間、細胞與其周圍基質之間的相互作用和空間位置形態。而其本身又能做到與體內分化的組織器官具有相似的生理反應，與來源組織具有極高的相似性。

與傳統2D細胞培養模式相比，3D培養的類器官包含多種細胞類型，能夠形成具有功能的「微器官」，能更好地用於模擬器官組織的發生過程及生理病理狀態，因而在基礎研究以及臨床診療方面具有廣闊的應用前景。

科學家Lancaster 和 Knoblich，這樣定義類器官：

「器官特異性細胞的集合。這些細胞從幹細胞或器官祖細胞發育而來，並能以與體內相似的方式經細胞分序（          cell sorting out）和空間限制性的系別分化而實現自我組建」。

圖2：類器官定義及主要特徵

基於這一定義，可以發現類器官具備這樣幾個特徵：

• 必須包含一種以上與來源器官相同的細胞類型；

• 應該表現出來源器官所特有的一些功能；

• 細胞的組織方式應當與來源器官相似。

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第一個類器官的誕生

回顧類器官的研究歷程，必然要談到「類器官鼻祖」——科學家Hans Clevers。

圖3：類器官研究歷史

2007年，Hans Clevers 的實驗室通過 lineage tracing 驗發現小腸和結腸的幹細胞為 Lgr5+細胞（如下圖所示）。2009年，他又和自己實驗室的博士後 Toshiro Sato 用來源於小鼠腸道的成體幹細胞培育出了首個微型腸道類器官。

圖4：小腸幹細胞和結腸幹細胞標誌基因Lgr5的發現

這一切是怎麼發生的？

Hans Clevers的實驗團隊將小鼠腸段中分離出來的隱窩細胞培養在含有ENR（EGF、Noggin、R-spondin）的三維Matrigel培養體系中，他們發現該培養體系下隱窩細胞能夠形成類似於腸的微型結構，即隱窩-絨毛樣複合體。他們也利用了該培養體系對前期分離並鑑定出來的單個 Lgr5+ 腸幹細胞進行培養，發現也能形成具有上述特殊結構的類器官；追蹤實驗表明，該類器官仍具有 Lgr5+ 腸幹細胞的存在，所以該模型能夠很好地模擬體內小腸的形態結構和功能。

小腸類器官體系的成功建立開啟了類器官研究的新篇章，迅速成為新的研究熱點。

圖5：腸道隱窩培養系統的建立

Hans Clevers的培養方法啟發了其他科學家，他們從小鼠和人的組織中培育出多種類器官。這些類器官細胞團塊小到沒有血液供應仍能存活，然而又足夠大和複雜，可以幫助我們了解組織和整體器官發育，以及生理病理的相關知識信息。

目前3D類器官培養技術已經成功培養出大量具有部分關鍵生理結構和功能的類組織器官，比如：腎、肝、肺、腸、腦、前列腺、胰腺和視網膜等。

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類器官的治療潛能

圖6：類器官的產生和治療潛能

類器官的研究主要集中於疾病模型，如發育相關問題，遺傳疾病，腫瘤癌症等。

通過使用患者的iPSCs可建立有價值的疾病模型，並能在體外模擬重現病人疾病模型；同時，類器官的建立可以實現對藥物藥效和毒性進行更有效、更真實的檢測。由於類器官可以直接由人類iPSCs直接培養生成，相比於動物模型很大程度上避免了因動物和人類細胞間的差異而導致的檢測結果不一致。

不過，目前在體外構建組織和器官仍是一大挑戰——希望類器官的建立及研究可以幫助人類在這方面更進一步。

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類器官在癌症治療中的研究 

目前，類器官多用於腫瘤癌症的研究中。觀察下圖中臨床前腫瘤癌症模型的比較，可以發現類器官有著很強的優勢：

圖7：臨床前腫瘤模型的比較

藥效和毒理測試

類器官的培養可用於臨床前癌症的治療檢測及藥物藥效和毒性測試。在轉化醫學的研究中，類器官也發揮著不可小覷的作用，並逐漸走向腫瘤癌症基礎研究和臨床治療的中央舞臺。

圖8：類器官培養應用於個性化癌症治療和藥物開發

可以從患者來源的健康和腫瘤組織樣品中建立類器官。與此同時類器官培養物可用於藥物篩選，這可將腫瘤的遺傳背景與藥物反應相關聯。

來自同一患者健康組織的類器官的建立提供了通過篩選選擇性殺死腫瘤細胞而又不損害健康細胞的化合物來開發毒性較小的藥物的機會。

自我更新的肝細胞類器官培養物可用於測試潛在新藥的肝毒性（臨床試驗中藥物失敗的原因之一）。在該實施例中，藥物B似乎最適合於治療患者，因為它特異性殺死腫瘤類器官並且不引起肝毒性。

類器官「生物銀行」

根據目前的研究進展，建立了活體類器官「生物銀行」。其中，腫瘤來源的類器官在表型和基因上都與腫瘤的上皮相似。

另外，腫瘤類類器官生物庫使生理學相關的藥物篩選成為可能。活體類器官生物庫可用於確定類器官是否對個體患者的藥物反應，具有預測價值。

圖9：從結直腸癌患者的健康組織和腫瘤組織中提取的三維有機組織培養物被用於高通量藥物篩選，以確定可能促進個性化治療的基因藥物相關性

重演腫瘤形成

類器官的培養和建立，可用於研究腫瘤生成過程中的突變過程，比如說，通過從同一腫瘤的不同區域培養無性繁殖的類細胞器，可以用來研究腫瘤內部的異質性。  

圖10：用於研究腫瘤發生的類器官培養

來自不同健康器官的類器官的生長，然後對培養物進行全基因組測序，可以分析器官特異性突變譜。通過生長來自同一腫瘤不同區域的類器官，可以用於研究腫瘤內異質性。區域特異性突變譜可以通過類器官的全基因組測序來揭示。使用與上述相似的方法，可以利用類器官來研究特定化合物對健康細胞和腫瘤細胞突變譜的影響。

圖11：類器官研究體細胞突變

癌症是由致病基因突變的逐漸積累引起的。因此，了解在組織穩態和腫瘤發生過程中活躍的突變過程是很重要的。

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未來可期，徵途漫長

隨著類器官的相關研究不斷取得進展，人們不免對它的前景產生了更多期待。不過，它也存在局限：

• 相較於癌症細胞系的培養，類器官的體外培養需要消耗更多的時間和資源；

• 相較於人體正常組織器官的生理環境，類器官缺乏結締組織，血管和免疫細胞的微環境；

• 在類器官的培養過程中，一些體外因素如小鼠來源的細胞外基質(ECM)替代物、胎牛血清等都可能會影響一些實驗結果，比如藥物篩選實驗等；

• 來自晚期癌症的類器官生長速度通常比來自正常上皮的類器官生長速度慢，這可能會導致腫瘤類器官過度生長通過混入正常上皮細胞來源的類器官。

未來，這些局限性是否能夠實現突破，使得類器官發揮出更大的作用？讓我們拭目以待。

參考文獻

[1]Organoids-Preclinical Models of human Disease.   

[2]Organoids as an in vitro model of human development and disease.   

[3]Modeling colorectal cancer using CRISPR-Cas9–mediated engineering of human intestinal organoids.   [4]Use of Organoids to Characterize Signaling Pathways in Cancer Initiation.   

撰文：祁昊楠