前言
類器官（organoids）是近年來生命科學領域一項令人矚目的突破。這種新興的研究模型不僅為疾病研究和藥物篩選提供了強大的工具，還在再生醫學等領域展現了巨大的潛力。類器官（英語：Organoid）是體外培養生成的立體細胞團，是特定器官的迷你簡化版本，模仿該器官的關鍵功能、結構和生物復雜性。
 

類器官的培養可以起源于胚胎干細胞或者成體干細胞等多能性干細胞、人工誘導性多能干細胞以及癌癥干細胞，這些細胞的自我更新以及分化潛能賦予其在立體培養條件下中自組裝的能力。
 

1. 類器官發展的歷史
 

圖1 類器官的發展歷史源于再生醫學和干細胞研究的突破。

 
①起源（20世紀90年代前）：類器官的研究最初只是萌芽，科學家們正在嘗試模仿人體組織的生長。由于當時缺乏合適的工具和技術，研究主要集中在2D的細胞培養上，這種平面環境不能很好地模擬人體內的細胞生長狀態。
 
②突破（20世紀90年代末到2000年代初）：隨著干細胞技術的突破，荷蘭科學家（Hans Clevers）及其團隊成功利用干細胞在實驗室中培育出第一個處理腸類器官。這個發現開啟了通往3D細胞培養的先河——細胞開始在實驗室中長成小型的“器官”。
 
③3D培養技術的進步（2010年代）：隨著3D培養技術的發展，研究人員們嘗試將不同的干細胞懸浮在特殊的基質中，促使它們在三維空間中自我組織形成復雜的結構，以形成特定的類器官。此時，類器官逐漸被用于模擬肝臟、大腦等各個器官，成為研究疾病和藥物的有力工具。
 
④多樣化與精細化（2020年代至今）：類器官技術持續進化，現在科學家不僅可以培育出更復雜、更精細的類器官，還能通過基因編輯等技術實現個性化培育，幫助研究特定患者的疾病。
如今，類器官憑借其人源性、近生理性的優點被更多用于研究癌癥、遺傳疾病，甚至藥物篩選，成為生物醫學領域中的重要的生物模型。
 
2. 類器官的培養方法
類器官可以在特定的3D培養系統中由胚胎干細胞（ESC）、誘導多能干細胞（iPSC）、成體干細胞或腫瘤細胞進行構建。
 
類器官構建方法：
首先將來自人胚胎組織的胚胎干細胞或來自成體組織的誘導多能干細胞進行定向分化，產生漂浮的細胞聚集體——球狀體，然后將其轉移至特定培養基的細胞外基質中進行培養，形成類器官；或者將來自患者的原代組織分解成包含成體干細胞的功能單元，以及從腫瘤組織中分離的腫瘤細胞，在特定的三維培養基中進行富集和培養，也可以形成類器官和類瘤細胞。
 
3D細胞培養系統是類器官產生的基礎，培養方法主要分為基于支架的3D細胞培養和無支架的3D細胞培養。
 
支架是類似于天然細胞外基質（ECM）的生物凝膠或合成水凝膠，主要包含膠原蛋白、明膠、層粘連蛋白等。能夠模擬體內環境中細胞與細胞間的相互作用以及細胞與細胞外基質的相互作用，允許細胞在支架上聚集、增殖和遷移，有利于體外細胞的培養和分化。
 
無支架的3D細胞培養是使用經細胞排斥材質處理的細胞培養皿或使用懸滴、微流控等特殊系統開展細胞培養，阻止細胞在器皿表面的貼附生長，迫使其聚集成細胞微球。這種方法得到的3D細胞模型具有完整的球體結構，可以自發形成細胞外基質，并良好地模擬體內環境下的氧和營養梯度。

3. 類器官培養操作流程
 

圖2 類器官培養操作流程

主要包括以下幾個步驟：
 
①模型的構建
選擇體外模型的源細胞：從人或動物體內獲取合適的組織或細胞，如體細胞、成體干細胞或多能干細胞等。
 
②選擇培養基與3D細胞支撐材料
針對不同的類器官，可以采用基于支架的3D細胞培養或無支架的3D細胞培養方法，改變培養基成分和維持類器官生長所需的細胞因子等元素，對上述步驟得到的細胞進行培養，從而得到類器官。
 
③類器官傳代
培養一段時間后，可以進行傳代培養，以繼續擴大類器官的數量或保持類器官的生理狀態。
 
④類器官鑒定與檢測
類器官培養成功后，需要對其進行檢測和鑒定，以確保類器官與目標器官的一致性。常用的檢測方法包括實時成像觀察、生物標志物檢測（WB、免疫熒光、qRT-PCR、流式細胞術等）、基因測序等。
 
4. 類器官功能檢測方法
①電生理檢測
針對神經或心臟類器官，電生理檢測技術用于評估其神經元運動、運動電位或心肌收縮等功能表現。這些檢測反應類器官在生理功能方面的成熟程度。
 
②藥物反應測試
廣泛評估類器官的疾病模型中。通過向類器官施加不同的藥物，可以檢測細胞的增殖、收縮和功能性變化，用于評估藥物的毒性和疾病，特別適用于抗藥物癌癥藥物或抗感染藥物的篩選。
 
③成像檢測分析
通過活細胞成像技術，研究人員可以實時觀察類器官在生長、分泌和功能形成過程中的動態變化。使用活細胞成像儀/高內涵分析等成像手段常用于觀察類器官結構和細胞行為。
 
5. 類器官類型
類器官模型的優勢在于其能夠在體外環境中重現復雜的組織結構與功能，且與傳統的二維細胞培養模型相比，更加接近真實器官的生理特性，因此廣泛應用于基礎醫學研究、藥物篩選和疾病模型等領域。
 

圖3 常見的類器官模型

 
常見的類器官包括：
 
①大腦類器官
大腦類器官是通過神經干細胞培養生成的，可以模擬大腦皮層的某些特征，如神經元和膠質細胞的相互作用。
 

圖4 成纖維細胞產生自組織感覺神經節類器官和視網膜神經節細胞。JuLI™ Stage 拍攝：一共記錄50小時。在拍攝記錄的50小時中，神經元首先通過遷移形成更小的細胞簇，然后合并成感覺神經節(SG)的細胞簇

②脊髓類器官

脊髓類器官是由干細胞生成的三維自組裝聚集體，能夠復制脊髓在體內的發育、形態和功能特征。脊髓包含20多個不同的神經元亞類，形成復雜精密的神經回路，能夠感知刺激并產生運動行為。
 

圖5 人類脊髓類器官的產生再現了神經管的形態發生。JuLI™ Stage 4x物鏡拍攝：經VPA和CBZ處理后脊髓樣類器官神經管閉合失敗，其他組則表現正常，證明了VPA和CBZ有較高的畸形風險 

③腸胃類器官
腸道類器官由腸道干細胞培養而成，能夠模擬腸道的上皮組織、腺體、微絨毛等結構。它們被廣泛用于研究腸道疾病、微生物群落與宿主的相互作用，以及藥物對腸道的影響。

④腫瘤類器官
腫瘤類器官是源自腫瘤組織中腫瘤特異性干細胞通過三維組織培養形成的細胞簇，它可模擬體內腫瘤特征及腫瘤細胞異質性，該技術的建立未為癌癥研究和治療提供了可靠的模型，特別是為個性化癌癥治療開辟了新的視野。
 

圖6 JuLI™ Stage 4x物鏡拍攝髓母細胞瘤21天，展示β受體阻滯劑對放射治療效果的影響

類器官作為體外疾病模型在藥物發現和個性化藥物篩選方面具有巨大潛力。單個類器官形態、數量和大小的動態變化可以指示重要的藥物反應。也因此對細胞監測的要求有更上一個臺階。JuLI™ Stage配置了4倍、10倍和20倍鏡以及相差功能，能夠滿足不同視場的觀察需求；可以箱內長時程成像，能夠在不影響類器官發育的前提下，跟蹤記錄發育過程的形態特征，為類器官發育評估和體外培養體系的優化提供依據。
 
備注：部分圖片來源網絡

文獻引用：
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