类器官 organoids

2013年类器官技术入选《Science》10大年度科学突破
 
2017年类器官技术被《Nature Methods》评选为生命科学领域的年度技术（Method of the Year 2017）
 
 

类器官是源自原代组织或干细胞的体外衍生 3D 细胞聚集体，它们能够自我更新、自我组织并表现出器官功能。类器官通过提供以下功能来解决现有模型系统的局限性：

• 与原代组织相似的组成和结构：类器官含有少量自我更新的干细胞，这些干细胞可以分化成所有主要细胞谱系的细胞，其频率与生理条件下相似。
• 体内条件的相关模型：类器官在生物学上与任何模型系统都更相关，并且可以操纵生态位成分和基因序列。
• 扩展培养的稳定系统：利用干细胞的自我更新、分化能力和内在的自组织能力，类器官可以作为生物库冷冻保存并无限扩展。

类器官属于三维（3D）细胞培养物，包含其代表器官的一些关键特性。此类体外培养系统包括一个自我更新干细胞群，可分化为多个器官器官特异性的细胞类型，与对应的器官拥有类似的空间组织并能够重现对应器官的部分功能，从而提供一个高度生理相关系统
类器官的优势

• 与细胞系相比，具有组织结构和器官功能，能最大程度模拟人体器官；
• 取材广泛，采集胸腹水和穿刺活检组织也能完成，大部分人体组织器官能在体外培养成组织类器官，而且不存在伦理问题；
• 类器官体外培养成功率高，培养速度快，适合大规模扩增，长期培养仍能保持基因组稳定；
• 体外3D类器官能用于体内移植，有望解决器官修复再生问题；
• 肿瘤类器官用于指导临床用药，周期短、数据分析简单，重要的是类器官药物敏感性数据较测序结果更加准确；
• 与基因编辑技术结合，能够实现器官水平上的基因改造。

类器官的培养过程
下图显示了由具有 Matrigel 基质的人类多能干细胞生成的脑类器官的示例示意图。

脑类器官培养系统。 (A) 用于生成大脑类器官的培养系统示意图。显示了每个阶段的示例图像：bFGF，碱性成纤维细胞生长因子； hES，人类胚胎干细胞； hPSCs，人类多能干细胞； RA，视黄酸。 (B) 类器官和小鼠大脑结构之间的比较表明背侧皮质组织的重演。大背侧皮层区域神经元（绿色）和放射状胶质干细胞（红色）的免疫组织化学。 (C) 切片和免疫组织化学显示复杂的形态学具有包含神经祖细胞 (红色) 和神经元 (绿色) 的异质区域。 (D) 低倍明场图像显示充满液体的空腔，让人联想到心室和视网膜组织。【来源Lancaster, et al., 2013】
 
类器官与球体细胞的区别
类器官和球体都是 3 维培养的细胞。球体通常由癌细胞系或肿瘤活检形成，作为超低附着板中自由漂浮的细胞聚集体，而类器官来自嵌入在 ECM 水凝胶基质（如 Matrigel）中的组织干细胞。与球体相比，类器官高度复杂，并且更像体内。最近，肿瘤类器官已显示出可以预测患者对癌症药物的反应程度，以帮助个性化医疗。
 
类器官发展历程

当代类器官的发展成果，主要集中在近十余年。

• 2007年，Hans Clevers 的实验室通过 lineage tracing 验发现小肠和结肠的干细胞为 Lgr5+细胞。
• 2009年，Hans Clevers实验室使用单个鼠LGR5+肠干细胞在体外自组织成为具有肠隐窝-绒毛结构的肠类器官。
• 2011年，由人多能干细胞和原代成体干细胞发育而来的肠类器官被成功制作。同年，由鼠胚胎干细胞培育而来的视网膜类器官被首次成功培育。
• 2012年，由人多能干细胞发育而来的视网膜类器官成功培育。
• 2013年，由人多能干细胞发育而来的脑类器官被成功培育。肝、肾、胰类器官被成功培育。
• 2014年，前列腺、肺类器官被成功培育。
• 2015年，乳腺、输卵管、海马体类器官被成功培育。
• 2020年，蛇毒液腺类器官被成功培育。

 
类器官在研究中的作用

类器官和球体在许多方面显示出巨大的潜力应用，包括疾病模型、药物毒理、个性化筛药、肿瘤发生机制研究、新药筛选、宿主病原体相互作用、基因或细胞疗法、干细胞与再生医学。
 
 
 
 
 


类器官的未来发展趋势

  自 2008 年以来关于类器官技术的论文数量。关注大脑类器官的论文数量（蓝色）显示为基于该技术的已发表作品总数的函数（绿色趋势线，右手次轴）。展示了关注肝脏（红色）和肠道（灰色）类器官的论文以进行比较。 （来源：PubMed）。
类器官可以在未来通过多种方式改变病理学的研究和临床护理。在未来几年中转化研究实验室中使用类器官能够得到大幅扩展；对关键的肿瘤内在和肿瘤外在过程进行建模，在一个既可操作又保留体内肿瘤重要特征的系统中进行体外试验。类器官的基因组操作将成为癌症遗传学体外功能研究的关键工具。此外，类器官培养技术可能会显著扩展正常组织、癌前病变和罕见肿瘤类型的体外模型的可用性，提供强大的工具来模拟以前未研究的疾病。临床上，类器官药物分型可能成为某些肿瘤治疗选择的广泛可用工具类型和在临床实验室中生长的类器官可以为分子分析提供纯材料推动治疗决策。因此，在未来肿瘤衍生的类器官是一个重要的工具通过它来提高我们对癌症的理解，并通过扩展治疗癌症患者。

全球类器官服务供应厂商
  目前国外根据ResearchAndMarkets.com的一份报告显示，在以STEMCELL Technologies、Definigen、3Dnamics Inc、Organoid Therapeutics、PeproTech, Inc、THERMO FISHER SCIENTIFIC INC等公司为代表的类器官企业的带领下，2019年北美类器官市场达到2.9139亿美元，预计将在2027年达到14.0647亿美元，将以21.7％的复合年增长率增长。
   目前国内类器官服务提供公司还较少主要集中在新兴公司上，融资规模较小大部分公司还停留在A轮和天使轮融资上。目前国内由丹望医疗、北京科途医学为首的多家公司已经开始在该领域积极布局，其余提供类器官服务的公司有五元生物、威高海星、佰傲再生医学、精科生物、斯德姆生物科技、纳通生物等（来源https://www.tianyancha.com/bran
dsearch/bc23311322543）