类器官 (Organoid)是在体外，经过3D培养，能够在体外模拟正常（或疾病）状态下体内器官（或组织）的三维结构和生理功能。通俗点讲，类器官是三维细胞培养物，将干细胞培养于基质胶中，在化学小分子抑制剂/激活剂、细胞因子、培养基添加剂等物质作用下经过培养得到的相应器官类似的组织结构。

类器官拥有自我更新能力，能维持来源组织的生理结构和功能，享有“培养皿中的微器官”之称。利用干细胞的自我更新、分化能力以及自我组织能力，类器官可冷冻保存用作生物库，也能无限扩增。类器官高度复杂，相对于2D细胞，更接近于体内状态。

最近的研究表明，类器官可以用来模拟器官发育和疾病，在基础研究、药物发现和再生医学中有着广泛的应用。研究人员现在开始从其他领域(如生物工程)获得灵感，以产生与生理更相关、更适合于现实应用的类器官。在这里我们主要描述类器官在基础生物学、疾病模型和再生医学领域的现有和新兴应用。

图1 类器官的主要应用
 

1.类器官作为发育、平衡和再生的模型

类器官在体外重现了器官生物学的一些原理，并提供了简化且易于获得的“最小系统”，用于识别不同组织成分对复杂形态发生过程的相对贡献（图1a）。

2. 建立疾病损伤模型

类器官诱导的特定组织或器官，可用于特定疾病模型的研究。与传统的单一细胞类型的细胞培养物相比，类器官培养物用于疾病建模的一个明显优势是它们能够在器官水平上模拟病变（图1b）。

此外，来自人类ASCs或诱导PSCs（iPSCs）的类器官可以作为人类疾病的模型，再现与转化研究有关的特定人类特征。目前已经开发了多种基于类器官的疾病模型，再现了遗传性疾病^[1-4]、宿主-病原体相互作用[^5-8]或癌症^[9-11]，并提供了类器官可以再现某些著名病理特征的原理证明（图1b）。

3. 药物筛选

来源于干细胞的类器官能够用于药物反应的离体测试，为药筛提供理论支持。类器官可以模拟人类病理过程为药物测试和筛选应用的可行性研究提供了新途径（图1c）。

4. 药物毒性和功效测试

利用类器官来验证新药在特定器官或组织的药代毒性，为新药研发提供数据支持。在个性化医疗中，患者特异性类器官可以帮助为每个患者确定最佳药物。

5. 再生医学

干细胞来源的类器官，能够修复或替代受损或病变的组织以恢复正常的组织功能，在细胞疗法上具有广泛的应用价值，包括用于其他神经退行性疾病、糖尿病、心血管疾病、视网膜病变和脊柱损伤等。类器官正在成为可移植组织和功能细胞类型的潜在来源，用于再生医学细胞治疗(图1e)。

另外，类器官用于再生医学可以与体外基因矫正策略相结合，从而能够自体替换受遗传疾病影响的组织。在一项原理验证研究中，CRISPR-Cas9介导的基因编辑用于纠正患者来源的ISCs中导致CF的最常见的CFTR突变，即508位苯丙氨酸的缺失，然后用于产生功能性类器官^[12]（图1e）。

类器官的类型非常丰富，主要包括肠道（小肠/结肠）、胃、肝脏、心脏、肺、前列腺、胰腺、肾脏、乳腺、脑类、视网膜以及内耳等。根据类器官类型的不同，其对于生长环境比如气体环境O₂、CO₂ 浓度的要求会有所不同。以下是使用BioSpherix Xvivo System 培养类器官的具体实例。

产前缺氧性损伤（Hypoxic Injury HI）是导致神经系统残疾的主要原因。在人类大脑早期发育过程中，缺氧对祖细胞稳态和发育进程的即时和长期影响尚不清楚。在这篇研究中使用人大脑类器官复制了一个瞬态HI模型。

D0表示人胚胎干细胞（human embryonic stem cells, hESCs）分化的开始日，D14表示类器官转移到轨道振荡器上培养的时间。在D28，类器官在缺氧室（BioSpherix, Xvivo System）中接受3%O₂处理24小时，然后切换回常氧条件（21%O₂，5%CO₂），直到分析。

图2 具有hESC衍生的脑类器官的短暂性缺氧损伤（HI）模型的示意图。
 

图3 人类大脑类器官的短暂缺氧模型
 

研究结果证明，短暂缺氧可诱导大脑类器官的DNA立即损伤和细胞凋亡延长，桡骨外神经胶质细胞（outer radial glia, oRG）是灵长类动物中更为突出的祖细胞群体，分化的神经母细胞/未成熟神经元损失更大。相反，心室区的神经干细胞对HI表现出相对的弹性，并表现出有利于对称分裂的切割平面角的偏移，从而提供了补充干细胞库的机制。此外，我们定义了对HI特别敏感的脆弱窗口和神经分化阶段。了解产前HI对人类神经祖细胞亚型在早期皮质发生过程中的存活和有丝分裂行为的细胞类型特异性和阶段依赖性影响，有助于阐明神经发育障碍的病因，并提供一个治疗起点，在关键时间段保护脆弱人群。

遗传性视网膜变性是发达国家无法治愈的视力损失的主要原因。虽然自体多能干细胞(pluripotent stem cells，iPSC)介导的光感受器细胞替代在理论上是可能的，但由于缺乏高通量平行生产病人特定疗法的商业化技术阻碍了临床转化。

在这项研究中使用Cell X精密机器人细胞培养平台来实现临床级病人特定iPSCs的平行生产。Cell X被安置在符合ISO 5级cGMP标准的封闭式无菌活细胞工作站(BioSpherix, Xvivo System）内（O₂浓度在20% -10% -20%变化），在这里进行从成纤维细胞培养到iPSC生成、克隆扩增和视网膜分化的所有程序。

图4 用于从原代真皮成纤维细胞自动生成iPSC的Cell X机器人平台。
 

图5 在Cell X平台上产生的iPSCs的视网膜分化。
 

研究结果表明，使用Cell X平台生成的患者iPSCs通过评分卡分析被确定为多能性，并通过核型确定为基因稳定。通过免疫染色和共聚焦显微镜确定，使用Cell X平台产生的iPSCs产生了视网膜器官，与人工产生的iPSCs产生的器官没有区别。此外，在分化后120天，单细胞RNA测序分析显示，使用Cell X平台产生的细胞与在单独实验室手工条件下产生的细胞相当。总之，该团队成功开发了一个机器人iPSC生成平台和标准操作程序，用于生产高质量的光感受器前体细胞，与目前的良好生产规范相兼容。这个系统将使临床级的iPSCs生产能够用于自体视网膜细胞替代。

图6 两篇文章中低氧实验使用Biospherix Xvivo活细胞工作站

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