概述

类器官通过利用多能干细胞（PSCs）和成体干细胞（ASCs），在体外精心构建出三维（3D）器官模型。这些模型不仅能够以惊人的精度模拟人体内各种组织与器官的结构及功能，而且在器官发育的模拟与疾病的再现上，展现出无与伦比的优势。凭借这些特性，类器官在基础医学研究、新药开发以及再生医学等领域，正发挥着日益广泛的应用价值。

类器官形成与发育的关键参数

类器官3D结构之后，研究人员巧妙地利用机械力和运动等多种物理线索来引导器官模式的形成。通过采用旋转生物反应器或旋转装置，能够显著提升营养和氧气的供应效率，这不仅延长了类器官培养的时间，还促进了类器官体积的增长。进一步地，为了更真实地模拟天然组织的环境，使用来自自然界的细胞外基质（ECM）来生成类器官，常用的材料包括Matrigel和基于胶原蛋白的ECM。

此外，在类器官的形成和发育过程中，调控特定细胞谱系分化的内在信号通路起到了至关重要的作用。为了精确诱导类器官沿着特定谱系发展，培养基中通常会添加多种能够激活关键信号通路的配体或化合物。这些关键的信号通路包括TGFβ、BMP、Wnt、FGF和SHH等（图1），它们各自在细胞分化过程中扮演着不可或缺的角色，为类器官的发育提供了生物学基础^[1]。

（https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34561899/）

图1 类器官形成和发育的参数^[1]

类器官应用

类器官凭借其独特的3D结构和出色的扩增能力，在生物学和临床应用中展现出强大的潜力。这一新兴技术正逐渐成为生物医学研究的重要工具之一。在基础研究领域，类器官的应用为我们揭开发育、体内平衡和再生机制的面纱提供了可能。

特别是在疾病研究中，源自患者干细胞的类器官能够精确复制疾病在体内的复杂表型，同时保持了体外实验的可操作性，从而成为探究疾病机制的重要工具。此外，类器官生物库的建立，为寻找针对多种疾病表型的有效药物提供了有力支持。在个性化医疗方面，针对特定患者的类器官模型，有助于精确筛选最适合每位患者的治疗方案。

此外，无论是来自健康供体的细胞，还是经过基因校正的患者细胞，所形成的类器官均可作为再生医学中宝贵的细胞或组织来源，为治疗遗传性疾病带来了新的希望。例如，表皮生长因子（EGF）在类器官研究中的应用，便是这一领域的一个突破（图2）。

综上所述，类器官在发育生物学、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多个领域均展现出广泛的应用前景^[2]。

（https://www.nature.com/articles/s41576-018-0051-9）

图2 类器官的各种应用^[2]

参考文献：

[1] Yi SA, Zhang Y, Rathnam C, Pongkulapa T, Lee KB. Bioengineering Approaches for the Advanced Organoid Research. Adv Mater. 2021 Nov;33(45):e2007949. doi: 10.1002/adma.202007949. Epub 2021 Sep 24. PMID: 34561899; PMCID: PMC8682947.

[2] Rossi G, Manfrin A, Lutolf MP. Progress and potential in organoid research. Nat Rev Genet. 2018 Nov;19(11):671-687. doi: 10.1038/s41576-018-0051-9. PMID: 30228295.