什么是类器官？

类器官是指器官特异性细胞的集合，这些细胞从干细胞或器官祖细胞发育而来，并能以体内相似的方式经细胞分序(Cell sorting out)和空间限制性的系别分化而实现自我重建。从以上定义可以看出，类器官的基础是干细胞技术、经典发育生物学和细胞混合实验。

图1：类器官的定义

类器官利用与体内器官非常相似的优势模拟了人体器官发育的一些特征，为研究人类特异性疾病提供了新的方法。事实上，脑类器官和肠类器官已经展示出一些人类器官特有的特点，而这些特点在动物模型上是观察不到的。除了以上两种类器官，肾、肝、肺、前列腺、胰腺和视网膜等类器官也发展迅速。

类器官要素：

多种器官特异性细胞类型
能够重现器官的一些特定功能(比如：排泄、过滤、神经活动、收缩)
细胞分组并在空间组织上类似于器官

类器官如何形成？

图2：类器官的形成过程

形成类器官的细胞可以是正常组织来源的细胞，包括多能干细胞(来源于胚胎干细胞或诱导多能干细胞)、成体干细胞等。胚胎干细胞具有体外培养能够无限增殖和多向分化的特点。诱导多能干细胞需要在体细胞中外源表达OCT4、KLF4、SOX2、MYC等4种细胞因子，进而使其去分化形成具有多向分化潜能的iPCs。

由癌变细胞来源的类器官主要用于模拟肿瘤的发生发展和分析肿瘤的组织学变化。

图3：由多能干细胞来源类器官发育

Lgr5阳性干细胞是小肠、大肠、胃及毛囊等组织器官中的干细胞来源。2009年，Sato等证实在基质胶中体外培养小肠来源的Lgr5阳性干细胞得到了小肠陷窝状结构，命名为“迷你肠”，这是利用Lagr5阳性干细胞形成的最初类器官之一。在本次实验中，Sato等将R-spondin-1、表皮生长因子和Noggin作为“迷你肠”培养基。这些成分代表维持上皮细胞稳定性的三种关键信号通路：Wnt是干细胞生存和增殖的关键信号通路，EGF保证了干细胞有丝分裂的能力，Noggin有助于形成陷窝样结构而不是形成绒毛结构。

这种肠类器官的成功建立开启了类器官研究的新篇章，迅速成为研究的热点。

类器官的应用？

肿瘤细胞和小鼠移植模型一直是肿瘤研究中的有力工具。肿瘤细胞可以无限增殖，培养简单，适合大规模药物的筛选。但是肿瘤细胞的体外培养丧失了肿瘤在体内的一些特征，并且容易丢失肿瘤的异质性。小鼠移植模型虽然在肿瘤药物的测试和筛选中发挥重要作用，也保留的肿瘤的异质性，但是小鼠移植模实验周期长、移植成功率低、肿瘤样本大。肿瘤类器官不仅能在体外无限增殖保留肿瘤组织的生物学特征和异质性，同时也方便进行基因编辑(基因敲低、过表达、突变)等操作。

表1：不同类器官的来源和报道时间

肿瘤机制的研究

Nadauld等在钙黏蛋白基因1和TP53双敲的小鼠胃类器官中敲低TGFBR2，结果发现类器官在体外变得具有侵略性，同时证明敲低TGFBR2的细胞具有肺部转移的潜能，表明TGFBR2有抑制胃癌转移的作用。

Chio等证明胰腺癌患者的类器官中NRF2的表达水平较高，敲低该基因后的肿瘤类器官不能正常生长。

液体活检是利用患者少量血液(尿液或唾液)通过物理或生化的方法分离其组分进而获得肿瘤循环细胞，再利用二代测序技术针对不同病况病人的个性治疗方案。通过肿瘤类器官技术可扩大肿瘤细胞的数量，建立属于患者的特定细胞库，然后用于肿瘤转移、病理进程的实时分析和药物测试，同时减少基因测序时的背景干扰起到“放大作用”。

微生物可成为肿瘤的致癌因素，除幽门螺杆菌可引起胃癌，近期的研究表明，肠道的某些菌群可引发或促进结直肠癌。向肿瘤类器官中引入菌群可用于探索菌群对化疗、免疫疗法等抗肿瘤疗法的影响。

ZHENG等通过对肝癌不同细胞亚群进行单细胞基因组测序时发现，肿瘤干细胞的异质性可引起肿瘤的异质性，因此肿瘤类器官可用于肿瘤干细胞研究的工具。

药物筛选和个性化治疗

类器官体外的培养可以保留肿瘤的异质性和无限增殖能力，且在长期培养的过程中不会引入新的基因突变。2015年，首个肿瘤类器官库建成，研究人员采用50%Wnt，20%R-spondin，10%Noggin ，50ng/ml EGF，10nM Gastrin等作为培养基添加物，进行了83种试验药物及癌症药物的测试，发现不同肿瘤细胞每Mb突变率差异很大(范围2.0-77.9)，肿瘤类器官的中值为3.7，与活检样本中的3.6相似。突变主要是CpG到T的转变与大规模CRC测序结果一致。不同遗传背景的类器官对于药物的响应也不同。

Soragni等利用来源于卵巢肿瘤的类器官作为药物筛选的模型，通过实验表明ReACp53多肽能够部分恢复P53的功能，在小鼠腹腔注射该多肽后，发现肿瘤很快减少，证明ReACp53具有作为卵巢癌及其他P53突变癌症的治疗潜能。

感染疾病的研究

寨卡病毒主要通过被感染的伊蚊叮咬传播，可以从孕妇传染给胎儿，怀孕期间感染会导致某些出生缺陷如新生儿小头畸形，且目前没有疫苗或药物。脑类类器官可以模拟人类胎儿大脑发育的过程，重现寨卡病毒引起的畸形。证明病毒的感染与神经祖细胞的分化和耗竭有关。同时，针对不同常见寨卡病毒，有利用高通量脑类器官筛选对药物的反应。

除了寨卡病毒，轮状病毒、诺如病毒等都有通过类器官研究的案例。

遗传病

除了研究微生物感染，类器官同样可用于遗传病的研究。采用类器官研究遗传病主要是通过下列两种方式：1：以患者活检样本建立类器官；2：在野生型类器官中引入特定突变建立类器官。

来自于患者的类器官最好的案例就是囊性纤维化，来自于患者的肠道囊性纤维化类器官包含CFTR △F508突变，科学家采用不同突变类器官和正常组织来源的类器官进行对比，用不同药物进行处理，以判断不同种类疾病对药物的反应状态。

对来自于多发性肠闭锁患者的肠道类器官进行研究发现，包含TTC7A缺陷的类器官会导致肠上皮-基底极性受损，抑制Rho激酶信号传导可降低这种损伤。这些研究不仅能够证明类器官可在体外展示机体感染疾病的特征，同时也是医药和基础研究的重要工具。

图4：类器官应用

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