张金梅 杨远荣

类器官是一种微型的组织器官类似物，它具有3个特性：能自组装形成；含有多种类型的细胞；在结构和功能上都与体内相应器官有很大程度的相似。基于干细胞的自我更新和分化能力，体外在适当的培养基和3D培养体系中，几种细胞和干细胞共培养会形成组织器官样的结构。随着多种类型类器官如肺、胃、肠、肝和肾等类器官在体外成功的培养形成，它的巨大潜力也日益被开发利用。目前人们发现它不仅可用于药物的毒性检测、药效评价和新药筛选等，用于建立疾病模型研究遗传病、传染病和癌症，还可用于精准医疗、研究组织器官发育及用于组织器官的移植和修复。本文综述了类器官在药物研究、临床医学、精准医疗中的作用以及在研究生物组织发育和组织器官移植和修复中的价值和意义，并对类器官的发展局限及其未来发展前景做了探讨（图1）。

一、类器官用于药物研究

（一）药物毒性检测

类器官因与生理组织的高度类似，可用来模拟实验药物反应[1]；可用来优化治疗方案，对患者进行个体化治疗；还可用于评估药物毒性如对肝脏[2]、心脏[3]和肾脏[4]的毒性作用。据报道，肾脏类器官很容易对抗癌药物产生反应，如顺铂的肾毒性会引起细胞凋亡[4]。肝脏类器官中处于增殖期的肝细胞也将成为药物毒性测试的重要工具[5]。

图1 类器官的形成及应用

（二）药效评价

类器官技术在药物的疗效评价上有巨大的潜力。研究表明，在所有的联合用药方案中，伏立诺他和奥拉帕尼合用对治疗因磷脂酰肌醇-4，5- 二磷酸-3-激酶-α-催化（phosphatidylinositol-4，5-bisphos-phate 3-kinase catalytic subunit alpha，PIK3CA）和磷酸酶张力蛋白同系物（hosphatase and tensin homolog，PTEN）基因突变所致的子宫肌瘤是最有效的，而在由PIK3CA基因突变引起的子宫内膜癌类器官的药物试验中，伏立诺他和奥拉帕尼联用的抗肿瘤效果也最强[6]。同样，采用类器官技术发现对由鼠类肉瘤病毒癌基因和人体抑癌基因突变所致的晚期结肠癌联合应用曲美替尼和塞来昔布治疗效果最佳[6]。

（三）新药筛选

当前，几种疾病和健康组织类器官的对照生物信息库已经建立起来。例如，目前已获得2个不同生长时期结肠癌类器官及其相应健康类器官的对照生物信息库[7-8]，并建立了71个囊性纤维变性（cystic fi brosis，CF）患者的肠类器官信息库[9]。高通量测序得到的遗传突变生物信息库能为新药的筛选提供可靠的依据。这种遗传筛选证实了已知的基因与药物的关系，也说明了类器官生物信息库是可用于高通量筛选的。同样，CF生物数据库对已知药物的筛选证实了之前的药物反应数据及2个新的CF相关药物。将来利用这些生物信息进行的筛选不仅可用于新药鉴定，而且还有助于现有特定药物的治疗。此外，对潜在候选药物的重点测试便于制药工业发现首选新药。

二、类器官用于疾病的研究与治疗

（一）遗传性疾病的研究

体内的遗传疾病可以通过类器官表现出来，如肠闭锁、小头症和自闭症等。来源于遗传疾病患者的类器官为研究疾病的机制提供了可能，尤其是对于复杂的多基因疾病和尚未鉴定的风险基因位点[10]。采用类器官可以轻易地进行精确的靶向基因突变或基因修复[11]。研究显示，采用基因编辑技术矫正突变的基因后，肺类器官的功能得到了恢复[12]。

（二）传染性疾病的研究

类器官是由各种分化细胞组成的特殊器官，这在传染病的研究中很有应用价值。由于长期以来缺乏合适的研究模型，对人体的研究受到限制，而当前的动物模型研究也不能完全反应人体的病理情况。如肠类器官能为诺如病毒提供营养，让其在体外生长，这一直是很难做到的[13]。

人们已经开始利用皮质类器官检测治疗寨卡病毒（zika virus，ZIKV）感染的药物。25-羟基胆固醇能通过抑制细胞膜融合阻止病毒进入细胞内，这已被感染的类器官模型验证。当在培养基中添加25-羟基胆固醇时，类器官中ZIKV的信使核糖核酸（messenger RNA，mRNA）及ZIKV-E阳性细胞的数目都急剧下降，却没有出现细胞死亡的现象。采用耐久霉素或伊佛霉素治疗能降低ZIKV的mRNA及ZIKV膜蛋白阳性细胞的数目，但阿奇霉素却不能降低ZIKV的表达水平。结果表明，皮质类器官能鉴定哪些药物对治疗ZIKV感染有效[14]。

培养类器官模型还能直接阐明组织对病毒感染的特异性反应，便于转录敲出等方法的采用，排除可能的宿主影响因素，筛选出潜在的疫苗[15]。

（三）用于癌症的精准医疗

类器官是由干细胞自组装构建的体外三维培养平台，几乎可以精确地再现肿瘤的异质性和微环境[16]。与其它模型相比，肿瘤类器官模型有许多优势，它保留了原肿瘤的分子和细胞组成，能更准确地预测患者的治疗反应，能进行临床前药物筛选，为患者制定个性化的治疗方案[17]。

研究表明，类器官能真实地反应胃肠癌患者的治疗反应，如对化疗药物的高敏性（100%）和特异性（93%）等[1]。有研究小组鉴定了人胃癌类器官对传统化疗方法有明显的反应[18]。根据临床观察，雄激素受体（androgen receptor，AR）过量的前列腺癌类器官对AR抑制剂恩杂鲁胺反应灵敏，而不含有AR的前列腺癌类器官却对此药物毫无反应[19]。

（四）用于研究神经精神疾病

人脑类器官能模仿人的特征如人脑的细胞种类和结构特点以及疾病对基因突变的影响等鼠模型难以实现的[10]。动物模型有明显的物种差异包括发育程序、细胞结构、细胞组成和遗传背景，影响了它与人类疾病之间的相似度。动物模型在许多人类认知和行为性疾病的研究中难以应用，如自闭症谱系障碍和精神分裂症等多基因疾病[10]。

类器官模型具有更复杂的组织结构，为研究提供了许多新的可能性。研究报道，细胞来源于严重先天性自闭症谱系障碍（autism spectrum disorder，ASD）患者及其正常第一代亲属的前脑类器官,患者来源的类器官中叉头框G1基因（前脑发育的重要基因）的表达调节异常，细胞周期进程加快，γ- 氨基丁酸能神经元的合成增多。对整个类器官的转录组进行分析，能发现不同类器官的组成差异，这说明类器官能用于鉴定神经精神疾病的分子和细胞的改变[20]。

脑类器官也被用于模拟Timothy综合征，一种严重的神经发育性疾病，特征表现为ASD和癫痫。将诱导多能干细胞来源于Timothy综合征患者形成的背部和腹部的前脑器官融合，建立中间神经元迁移的模型，模型显示细胞自主迁移存在缺陷[21]。

三、 研究组织器官发育

类器官在生物医学的基础研究中极具潜力，这个新兴的工具使人们能在体外研究器官的形成、谱系的分化和组织内部的动态平衡。据报道，用人的胃类器官能在体外模拟胃的器官形成，如经过一系列的关键时期如定形内胚层的诱导、后肠的特化、前肠的管腔形成及特化、排列成基底或管腔的结构图案及上皮细胞的生长和分化[22]。一个月之后，该胃类器官与人的胚胎胃组织的转录谱非常类似[22]。肺类器官包含中胚层和肺内胚层，在3D培养系统中形成分支状的导气管和早期的肺泡结构[23]。根据基因表达和结构分析，肺类器官的分支结构相当于人类怀孕中期时的胚胎肺[24]。

人类大脑三维类器官体外模型为研究人类大脑发育提供了前所未有的机会，能再现大脑的区域复杂性、细胞多样性和回路功能。Quadrato等[23]分析了从31个人类大脑类器官中分离出来的80000多个细胞的基因表达，发现类器官能形成多种多样的细胞包括大脑皮层和视网膜细胞。类器官可在较长时间（超过9个月）内发育，以便建立相对成熟的特征，包括树突棘的形成和自发活跃的神经网络。利用光刺激光敏细胞可控制类器官内的神经活动，为利用生理感官刺激来探测人类神经回路的功能提供了一种方法。

四、用于组织器官的移植修复和治疗

现代再生医学的目的在于通过同种异体移植，用相应的健康组织替换疾病组织。然而，除了健康供体组织的供不应求外，内在的免疫排斥反应对被移植组织在受体患者身体内的长期存活和功能影响都构成了严重的威胁。类器官技术使研究人员能利用患者的活检组织或易获得组织培养出相同基因型或与患者淋巴细胞抗原相匹配的类器官，从而避免免疫排异反应。

在急性肝功能衰竭的小鼠肝脏类器官移植实验中，脐带来源的内皮细胞、间质细胞以及由内皮细胞诱导的多能干细胞共培养形成的肝脏类器官能改善肝功能，提高患病小鼠的存活率[25]。将从人体胆管树分离得到的胆管细胞进行体外大量扩增，能重建肝外胆管类器官，其超微结构、转录谱及其功能都与亲本高度相似[26]。当被移植到小鼠的肾包膜下后形成了管状结构，并检测到胆管细胞的关键标志物细胞角蛋白（cytokeratin，CK）-19基因的表达[26]。人的胰腺类器官被移植到免疫缺陷小鼠体内后能形成胰岛素分泌细胞[27]，这些细胞被移植后能改善糖尿病鼠的高血糖症状[28]。

视网膜类器官能产生大量的光感受器用于视网膜变性和失明的细胞治疗[29]。还有研究报道，通过基因编辑技术校正了视网膜色素变性类器官中的尿苷三磷酸酶，使突变基因的表达趋于正常，修复了感光器结构，使其电生理特性恢复正常[30]，之后就可用于移植替换。

五、总结与展望

当前培养的类器官结构简单，只是具有其相应器官胚胎发育阶段的特征，并没有包含该器官所有类型的细胞和结构特征。这必然会影响到它在药学研究和临床应用中的真实性和可靠性，只能部分替代动物建立疾病模型，提供一些依据和参考。目前培养出结构更复杂的血管化并有神经系统的形体更大的类器官是一个瓶颈问题亟待解决。因此需要大力改进类器官的培养方法和技术，如充分利用干细胞的多向分化特性和细胞的自组装能力、优化建立3D培养体系、通过试验比较精心挑选用于构建不同类器官的最佳干细胞种类（胚胎干细胞、诱导多能干细胞还是哪种成体组织干细胞）、与干细胞共培养的内皮细胞类型（脐带内皮细胞、血管内皮细胞等）和间质细胞类型。还要注意这些共培养细胞的数目与比例以及诱导培养类器官的各种类型细胞加入的时间先后顺序和时间长短，为高度逼真类器官的形成提供更好的细胞微环境。

此外，在类器官的培养过程中，需要在培养基中添加生长因子及各种化学试剂，这可能会造成细胞基因突变，使类器官的生长发育异常，因此应尽量减少化学试剂的应用。而且基质胶的应用也会影响药物的渗透，不利于药物的筛选，可以考虑旨在用于药物筛选的类器官培养应避免使用基质胶。培养基的组分需要精心设计以适合类器官的长期培养，不断调整以满足不同生长时期类器官的营养需求。当前培养的类器官已初具雏形，因其市场应用前景光明，其发展势头必将迅猛。它为药物和疾病的研究提供了新的平台和工具，能预测药物的治疗反应和效果，为特殊患者的个体化治疗提供依据，为濒死患者带来希望，是人类对干细胞的研究和应用取得的新的认识与突破。