类器官 VS 组织样本 VS 动物模型
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类器官，CNS期刊的座上宾，一时声名鹊起，风光无两，被各大媒体争相报道：
2013年，被Science 杂志评为年度十大技术；
2015年，被MIT科技评论十大科技突破之一；
2018年，被Nature Methods评为2017年度方法；
2019年，被The New England Journal of Medicine 杂志评价为成为优良的人类临床前疾病模型。
温故而知新，2019年发表在《NEJM》上的这篇综述文献为我们详细说明了类器官在人类临床前疾病研究的潜在价值。这篇综述汇总了类器官领域重要研究成果，详细阐述了类器官的发展、特点、应用及其潜力，将类器官推到了一个新的关注高度。
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类器官（Organoids）指利用成体干细胞或多能干细胞进行体外三维（3D）培养而形成的具有一定空间结构的组织类似物。尽管，类器官并不是真正意义上的人体器官，但能在结构和功能上模拟真实器官，能够最大程度地模拟体内组织结构和功能，并能够长期稳定传代培养（因此也被称为“微型器官”）。类器官比传统的2D培养更具有优势，可以显示接近生理的细胞组成和行为。许多类器官，可以在培养中进行广泛的扩增，并保持基因组的稳定性，适用于生物样本库和高通量筛选。与动物模型相比，类器官可以降低实验的复杂性，适用于实时成像技术，可以研究人类发育和疾病的各个方面（这些方面在动物中不容易或准确建模）。类器官可由体细胞、成体干/祖细胞或多能干细胞制备生成。作为传统2D培养和动物模型之间的桥梁，类器官具有多种优势，可以提供实验可操作性、捕获生物复杂性。-02-
类器官技术的突破发生在2009年。彼时的Clevers教授和他的同事在一项研究中表明，成人肠道中的干细胞可以在体外增殖和自组织。肠道干细胞的特征在于表达LGR5（一种编码Wnt激动剂R-spondin受体的基因），并且需要特定的分子在它们的周围（例如Wnt、EGF和noggin）。细胞外基质也具有重要的信号作用：分离的肠细胞经历失巢凋亡。Sato等人，开发了一种3D培养物来重建肠道干细胞的体外、类似生态位的环境的方法。通过这种方法，可以获得类器官，每个类器官都源自肠上皮的片段，甚至是单个LGR5+ 干细胞，并与4种分化的肠道细胞类型（以自我更新的方式）中的每一种类型，保持隐窝—绒毛结构。这些类器官可以扩展超过3个月并保持基因组稳定，促进大量器官特异性细胞类型的纯化。Sato等人所开发的方法，适合从主要器官的上皮组织生成类器官。值得注意的是，LGR5 的表达在几种组织中是不可检测的，稳态LGR5+ 干细胞的存在不是类器官生成的先决条件。尽管在肝脏或胰腺损伤后的再生反应过程中会诱导LGR5+ 导管细胞，但肝脏和胰腺细胞在稳态条件下不会表达太多LGR5。这样的LGR5+ 细胞可以形成由双潜能祖细胞（肝脏的肝细胞和胆管潜能，以及胰腺的导管和内分泌谱系）所组成的克隆类器官。双能类器官也已从人类肝脏和胰腺中产生。因此，R-spondin方法似乎适用于以类器官的形式长期维持不同类型上皮组织中的成体干细胞。多能干细胞（包括ESC和iPSC）——可以无限地自我增殖，并分化成体内的任何细胞类型，从而为使用原组织制造类器官提供了一种有吸引力的替代方法。多能干细胞的类器官，是通过同源细胞群体的定向分化形成的，因此必须在类似于胚胎发生的动态过程中重新创建组织特异性细胞类型及其微环境。因此，多能干细胞类器官培养必须在分化过程中提供阶段适宜的生态位信号。因为这个过程既不简单也不直接，多能干细胞类器官通常包含与模型器官不同的细胞类型，使目标组织的信号环境和自组织复杂化。多能干细胞，也可以自发分化为胚状体；在2D培养中存在特定因素的情况下，这些胚状体通常沿着组织特异性谱系进一步分化。人体类器官，可以从正常或恶性的原代组织中产生，最常见的是通过R-spondin方法。这是产生小肠类器官的基本设计原则，即细胞外基质支持（基质胶）、Wnt信号通路活化（R-spondin1 与Wnt3a）、器官特异性上皮细胞增殖的生长因子（如EGF）、干细胞自我更新因子（骨形态发生蛋白（BMP）抑制剂、TGF-β）。或者，可以将体细胞重新编程为iPSC，通过定向分化将其用作所有3个胚层的类器官来源。SFEBq方法，涉及胚状体样聚集体的无血清培养和快速聚集，需要将多能干细胞解离成均匀的单细胞悬液，以最大限度地减少任何内源性诱导信号，然后在无血清、不含生长因子的培养基中快速聚集。类器官技术，可与其它生物技术进行有机结合，包括基因编辑、单细胞基因组学、实时成像和微流控技术，从而提供对发育过程和疾病发生机制的新见解，并为疾病的诊断和治疗提供一个全新的视角。-04-
目前类器官的未来应用方向主要有四点，分别是疾病建模、抗癌药物筛选、药物毒理检测，还有基因和细胞疗法。与2D培养物相比，类器官可能提供对发育、稳态和发病机制的更基本见解，并可能为疾病的诊断和治疗提供新的转化方法。类器官已经成功地从结肠、前列腺、乳腺和胰腺的原发性肿瘤中构建出来。这些“肿瘤类器官”已成为临床前模型，有可能预测个体患者对治疗的反应。例如，来自转移性胃肠癌患者的肿瘤类器官活生物库，重现了这些患者在临床试验中对抗癌药物的反应。肿瘤类器官，也可用于研究肿瘤生态位。代表不同级别结直肠肿瘤的类器官库，揭示了从正常组织到腺瘤再到癌的转变过程中对生态位因子的依赖性降低；发现生态位因子依赖性主要与肿瘤的基因组成有关。肿瘤类器官是将癌症相关基因组数据与肿瘤生物学联系起来的一种手段，可以为药物筛选和个性化治疗提供基础。器官毒性是药物开发失败和批准后撤回的主要原因。当前使用细胞系和动物模型的毒理学筛查通常无法预测人类的不良反应（其中肾脏和肝脏毒性是最常见的）。3D类器官可能提供更准确的毒性预测手段。令人鼓舞的是，肾脏类器官已被证明可以重现顺铂和庆大霉素的肾毒性作用。类器官的其他优势包括，它们的遗传稳定性和高通量筛选的可扩展性。例如，人类肾祖细胞在3D培养中具有几乎无限的自我更新能力，这可能是肾毒性筛查标准化的福音。美国食品药品监督管理局（FDA）开始利用三维“肝脏芯片”类器官模型来检测食品添加剂、营养补充剂和化妆品的肝脏毒性。在结肠、肝脏、胰腺、视网膜和甲状腺中观察到移植的类器官（或来自类器官的细胞）的功能整合。在这些研究中，不同级别的证据被用于支持功能，包括与天然组织的形态相似性、与宿主的连接（通过血管或突触）、上皮渗透性等。基因组编辑还被用于纠正CFTR中的突变，并恢复来自囊性纤维化患者的结肠类器官中CFTR蛋白的功能。研究表明，类器官可能是未来基因和细胞治疗方法中的细胞来源之一。然而，需要更多的研究来评估这些方法的有效性和安全性。将诱导的多能干细胞引入临床的努力可以为该领域提供指导。-05-
类器官研究，为疾病建模和药物筛选做出了重大贡献。类器官仍然存在一些局限性，与动物模型相比，缺乏功能性的血管系统、神经系统或免疫系统是类器官的缺点，这些缺点使类器官远远比不上体内模型。在现阶段，疫苗和药物开发仍然需要动物模型。未来，类器官将用于模拟更复杂的器官，模拟器官内相互作用，并探索致病机制。来自健康或患者的类器官，可提供不同年龄、性别或种族群体个体的易感性的可靠分子评估，并为当前和未来提供个性化的治疗策略。类器官，就类似于调制一杯鸡尾酒，还有很长的路要走 。References：
Li, Mo, and Juan C. Izpisua Belmonte. 'Organoids—Preclinical Models of Human Diseas.' New England Journal of Medicine 380.6 (2019): 569-579.
《自然 · 综述》：T细胞在衰老中的角色
