前沿新知 | 類器官——疾病研究和藥物開發的重要工具

發布日期：2021-01-22 閱讀次數：551 來源：中國食品藥品網

摘要：

類器官是一種由不同類型干細胞通過自組織方式制備，能夠模擬原生器官結構和功能的一類三維“微器官模型”。相比傳統的二維培養模型，類器官代表著一種能夠概括整個生物體生理過程的創新技術，具有更接近生理細胞組成和行為、更穩定的基因組、更適合于生物轉染和高通量篩選等優勢。而與動物模型相比，類器官模型的操作更簡單，還能用于研究疾病發生和發展等機理。

類器官的制備可以利用體細胞、成體干細胞（包括祖細胞）或多能干細胞。2009年，腸道器官模擬技術率先取得突破，研究人員發現，成人腸道干細胞可以在體外增殖和自發組織化。其特征是能夠表達LGR5，這是一種編碼Wnt激動劑R-spondin受體的基因，同時需要特定的分子圍繞在旁，如Wnt、表皮生長因子和noggin。以此為理論基礎，研究人員開發了一種三維培養體系，能夠在體外重建腸道干細胞的適宜環境，并從腸道上皮細胞或單個LGR5+干細胞分化出具有自我更新能力、保持腸道腺窩絨毛狀結構的類器官。該模型可以持續擴增達3個月，穩定的基因組保證了純化和生產放大等優勢，此后這種方法被用于從其它主要器官上皮組織制備各種類器官。

類器官的制備（圖片整理自參考文章1）

除了成體干細胞，多能干細胞（包括誘導干細胞和胚胎干細胞）也可以利用其自我更新及分化能力來制備類器官。由于從多能干細胞中提取的類器官是通過同質群體定向分化而成的，因此必須在一個喚醒胚胎發生的動態過程中重新創造組織特異性細胞類型及其微環境。因此，多能干細胞類器官培養必須在分化過程中提供合適的生態位信號。由于這一過程較復雜，多能干細胞類器官往往含有不同于模型器官的細胞類型，使靶組織的信號環境和自組織復雜化。

類器官模型的應用

建立疾病模型

與二維培養體系相比，類器官有助于闡明疾病的發展、穩態和發病機制，為疾病的診斷和治療提供可能的新方法。以大腦類器官為例，它包括了人類特定的神經發生過程，為研究人類大腦發育提供了寶貴的機會。這種類器官模型生長在一個微加工的腔室中，可以進行長期的原位成像，目前已被用于模擬皮質折疊，以及平腦癥的發病機制研究。平腦癥是由LIS1突變引起的。有研究表明，利用平腦癥患者的誘導多能干細胞制備的大腦類器官，其外橈神經膠質細胞存在有絲分裂缺陷，這在小鼠模型中很少出現。大腦類器官還被用來研究Zika病毒，這種病毒能夠優先感染神經祖細胞，降低其增殖和生存能力，這可能是Zika病毒造成頭部畸形的一個重要原因。

類器官技術在發育、穩態和疾病研究中的應用（圖片整理自參考文章2）

抗癌藥物篩選

多種原發性腫瘤如結腸癌、前列腺癌、乳腺癌、胰腺癌等細胞均已培養出對應的類器官，這些“類腫瘤器官”已成為重要的臨床前篩選模型，能夠預測個體患者對療法的反應。例如，在臨床試驗中，轉移性胃腸道癌癥患者的腫瘤類器官再現了這些患者對抗癌藥物的反應。

腫瘤類器官也可用于腫瘤生態依賴的研究，通過對不同級別結直腸腫瘤類器官研究顯示，在從正常組織到腺瘤再到癌的轉變過程中，對生態因子的依賴性是逐漸降低的，而生態因子依賴性主要與腫瘤的基因組成有關。因此，腫瘤類器官是一種將腫瘤相關基因組數據與腫瘤生物學聯系起來的手段，為藥物篩選和個性化治療提供研究基礎。

各組織類器官主要應用一覽（表格整理自參考文章1）

藥物不良反應研究

藥物不良反應，特別是器官毒性是藥物開發失敗和上市后撤回的主要原因，目前通用的細胞篩選和動物模型篩選常常不能準確預測人體的不良反應發生。腎臟和肝臟毒性是最常發生的器官毒性，而人工制備的腎臟和肝臟類器官可以為毒性預測提供更準確的手段，其中腎臟類器官已被證明可以闡釋順鉑和慶大霉素帶來的腎毒性。

類器官在不良反應研究中的優勢還體現在遺傳穩定性和高通量篩選的重現性。例如，人類腎元祖細胞在三維培養中具有近乎無限的自我更新能力，這對于腎毒性篩選的標準化是一大幫助。最近，美國FDA開始測試三維“肝臟類器官”芯片，以檢測食品添加劑、營養補充劑和化妝品中所使用化合物的肝毒性。

二維細胞、三維類器官和動物模型之間的對比（圖片整理自參考文章1）

為基因和細胞療法服務

功能性類器官移植（或來自類器官的細胞）已出現在結腸、肝臟、胰腺、視網膜和甲狀腺等組織實驗中。比如與自然生理組織的形態相似性、宿主連接（通過血管或神經突觸）性、上皮通透性以及治療能力等。

基因組編輯也被用于糾正CFTR的突變，并恢復囊性纖維化患者結腸類器官中CFTR蛋白的功能。類器官技術將是未來細胞療法的細胞來源之一，然而還需要更多的研究來評估這些方法的有效性和安全性，誘導多能干細胞帶到臨床將是一個很重要的努力方向。

類器官技術的挑戰&未來

類器官研究領域目前仍面臨諸多挑戰，如制備方法的復雜多變和標準化的缺乏。但生物工程技術的高速發展將為解決這些問題提供更多手段。

類器官的胞外基質和細胞組成

當前的高通量篩選主要依賴細胞和酶水平的篩選，但是動物來源的特性和化學性胞外基質之間的差異可能會干擾結果，商品化的基質凝膠無法再現體內生物行為的動態變化。在將基礎研究結果轉化為臨床應用的過程中，這些外源性風險也會造成許多問題，增加了藥物臨床開發失敗的幾率。基質工程技術可以根據需要改變胞外生理生化特性，合成外源差異較小的基質，提高類器官的重現性。

缺少諸如血管形成、神經支配等重要的生理過程體現，可能是類器官研究的一個阻礙。雖然有些類器官在移植時已形成血管化，但缺乏關于體外血管類器官培養的報道。間質-腫瘤的相互作用對腫瘤的發生和轉移具有重要意義，為了研究腫瘤的發生，在類瘤細胞中加入多種基質成分，如免疫細胞、內皮細胞等。外周神經系統在組織穩態和修復中起著重要作用，但很少在類器官中表現出來。為此，最近的一項研究通過包括多功能干細胞來源的神經嵴細胞，生成了具有功能性腸神經系統的人體腸道類器官。

用來制造類器官的原始材料或會帶來可變性，從患者誘導的多能干細胞中提取的類器官存在微小但可檢測的變異，這些變異取決于患者的年齡和遺傳背景以及研究組使用的培養方案。CRISPR-Cas9技術可用于設計具有同基因背景的類器官，從而減少變異。由于腫瘤的異質性，由患者腫瘤產生的腫瘤種類差異很大，其他的創新可以減少培養條件的變化。培養基組成對腫瘤細胞和非腫瘤細胞的生長也有不同的影響。對大量腫瘤樣細胞的系統研究和SENSOR研究可以回答關于這種變異如何影響臨床應用的問題。

類器官的組織結構

類器官培養依賴于自組織（self-organization），有時會導致組織結構異常。組織結構可以通過提供由生物材料制成或用生物墨水打印的支架來改善。后一種技術已被用于打印三維腎近端小管的可灌注組織芯片。這種“器官芯片”系統結合了微流體技術和類器官技術，為生物力學變量和生物活性分子傳遞提供了精確的控制。這些系統可以促進在組織水平上實時監測單細胞、細胞-細胞相互作用和代謝過程。然而，目前對類器官的研究普遍缺乏實時監測能力，這種技術的發展需要工程學家和生物學家之間的密切合作。在未來，成熟的生物材料和生物打印商業平臺可能會加快其發展。

類器官技術已與其它前沿科技有效地結合起來，解決當前的挑戰可能會進一步提高類器官概括人類生理過程的精確性，使得類器官技術在疾病模型和藥物開發領域取得長足進展。