自2009年荷兰科学家Hans Clevers团队成功将Lgr5+肠道干细胞在体外培养成具有三维结构的小肠类器官模型之后，类器官的研究进入新时代，相关文章如雨后春笋一般，不断涌现。

仅过去的2023年上半年，“Organoid”相关文章就有2194篇，远超前几年同期水平，意味着该领域的研究热度还在升温。

那么作为当前全国乃至全球生命科学及医学研究领域最受关注的热点之一，类器官究竟是何方神圣？又有哪些神通？今天小P就与大家一起梳理一下。

一、 类器官的概念

类器官是指在体外三维（3D）环境中培养生长的微型细胞簇，这些细胞簇在细胞因子、化学小分子抑制剂/激活剂、培养基及其他添加剂等物质作用下，经过自组织并分化为功能性细胞群，具有类似相应器官的组织结构和遗传学特点。

类器官不是真正意义上的器官，但是它能够最大程度上模拟体内器官的结构和功能，并且能长期稳定传代培养，因此也被称为“微型器官”。

二、 类器官的发展史

早在1907年，Henry Van Peters Wilson就进行了体外有机体再生的尝试，他的研究证明了分离的海绵细胞有自组织再生整个生物体的潜力；1994年，研究者对两栖动物原肾进行解离验证了组织细胞具有再聚集的能力；1961年，研究者描述了胚胎体在体外的分化；1981年，研究人员从小鼠胚胎中建立多能干细胞（PSCs），并创造了“胚胎干细胞（ESCs）”这一术语，自此干细胞研究蓬勃发展。

1987年，研究人员在肿瘤细胞外基质（ECM）提取物上生长的乳腺上皮组织生成了三维导管和小管；同年，另一个研究证实肺泡II型上皮细胞能够在ECM基质存在下维持其分化；凸显了细胞-基质相互作用在组织维持和分化中的重要性。

2008年，Eiraku等人使用3D聚集培养方法从ESCs产生大脑皮层组织；2009年，Hans Clevers团队成功将Lgr5+肠道干细胞在体外培养成具有三维结构的小肠类器官模型，它能自组织并分化为隐窝-绒毛结构，这一事件也成为了类器官研究历史中的里程碑事件。

接下来近二十年，研究者不断从不同的组织或细胞中培养出脑、肠道、视网膜、肾等类器官，应用于各种领域。

三、 类器官的3D培养系统

3D细胞培养系统是类器官产生的基础，它通过悬浮培养建立，使用支架或无支架技术以避免细胞与塑料盘的直接物理接触。

其中，支架是类似于天然ECM的生物凝胶或合成水凝胶，最常用的Matrigel，是由Engelbreth-Holm-Swarm（EHS）小鼠肉瘤细胞分泌的异质凝胶状蛋白质混合物，它主要包含粘附蛋白，如胶原蛋白、巢蛋白、层粘连蛋白和硫酸肝素蛋白聚糖，类似于细胞外环境，能够为细胞提供结构支持和ECM信号。

无支架技术则是细胞在重力和表面张力作用下悬挂在平板上的特定培养基液滴中培养的技术。此外，类器官的3D结构也可以通过“气液界面”建立，在这种情况下，细胞在最初浸没在培养基中的成纤维细胞或基质胶基底层上培养，培养基逐渐蒸发并将上层细胞层暴露在空气中以允许极化和分化[1]。

相较于传统2D细胞培养或者昆虫以及哺乳动物等模型，类器官模型在各方面都给予了更大的想象空间。

四、 类器官的培养

类器官可来源于胚胎干细胞（ESC）、诱导多能干细胞（iPSC）、成体干细胞（ASC），或者肿瘤组织。

对于ESC/iPSC衍生的类器官，ESC/iPSC在各种细胞生长因子或小分子化合物（抑制剂/激活剂）以及基质胶和细胞培养添加剂的逐步分化方案下，能够按照类似于原肠胚形成和器官发生过程中的发育线索，从三个胚层生成类器官。

对于ASC来源的类器官，ASC需要从胎儿或成人组织中产生；获得单个ASC或含有ASC的组织单元之后，再通过3D培养方案形成类器官。

对于肿瘤组织来源的类器官，肿瘤组织内含有小部分具有干细胞活性的肿瘤细胞，通过将肿瘤来源的组织细胞或者分离出的肿瘤干细胞等进行3D培养，能够衍生出肿瘤类器官（Tumoroids）。

胃肠道类器官可以来自于ASCs：先从结肠镜检查、胃镜检查或手术期间收集的胃肠道活检中分离出组织驻留干细胞，在乙二胺四乙酸（EDTA）或酶消化后，单个细胞或组织碎片（隐窝结构或导管碎片）被嵌入ECM中，并用添加了不同有丝分裂原、成形素和细胞因子的组合培养基覆盖，以诱导细胞自我更新和组织分化。

胃肠道类器官也可以来源于ESCs和iPSCs：首先，使用Activin A诱导ESCs/iPSCs向内胚层定向分化；随后再根据目标类器官需求向前肠/中肠/后肠内胚层分化；其中，前肠主要分化为胃、肝、胆或胰腺等类器官；中肠/后肠主要分化为肠道类器官，最后，这些前体球状体可以根据不同的生长因子方案进一步进行终末分化，定向分化形成特定的组织和器官。

五、 类器官的应用

得益于其广泛的组织类型、长期扩展能力和生理3D结构，类器官正在成为许多生物医学研究中的主流细胞培养工具之一，也成为了许多生物学和临床应用的强大新技术。

目前，类器官已广泛用于包括发育生物学、疾病建模、精准医学、再生医学、毒理学、药物发现研究、宿主-微生物组相互作用、基因编辑、多组学和系统发育研究等方向。

六、 类器官解决方案

上面提到，类器官的生长主要依赖于多种细胞因子和化合物的支持及基质胶提供的三维环境。这些成分主要包括 ：

1. 促进细胞增殖以及提高成功率的细胞因子 ；

2. 促进细胞生长、分化相关通路的激活剂、抑制剂以及激素等。

此外，常需要抗体进行免疫分析来研究类器官中细胞标志物的表达确认类器官建立的成功与否。