張金梅 楊遠(yuǎn)榮

類器官是一種微型的組織器官類似物，它具有3個(gè)特性：能自組裝形成；含有多種類型的細(xì)胞；在結(jié)構(gòu)和功能上都與體內(nèi)相應(yīng)器官有很大程度的相似?；诟杉?xì)胞的自我更新和分化能力，體外在適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)基和3D培養(yǎng)體系中，幾種細(xì)胞和干細(xì)胞共培養(yǎng)會(huì)形成組織器官樣的結(jié)構(gòu)。隨著多種類型類器官如肺、胃、腸、肝和腎等類器官在體外成功的培養(yǎng)形成，它的巨大潛力也日益被開發(fā)利用。目前人們發(fā)現(xiàn)它不僅可用于藥物的毒性檢測(cè)、藥效評(píng)價(jià)和新藥篩選等，用于建立疾病模型研究遺傳病、傳染病和癌癥，還可用于精準(zhǔn)醫(yī)療、研究組織器官發(fā)育及用于組織器官的移植和修復(fù)。本文綜述了類器官在藥物研究、臨床醫(yī)學(xué)、精準(zhǔn)醫(yī)療中的作用以及在研究生物組織發(fā)育和組織器官移植和修復(fù)中的價(jià)值和意義，并對(duì)類器官的發(fā)展局限及其未來發(fā)展前景做了探討（圖1）。

一、類器官用于藥物研究

（一）藥物毒性檢測(cè)

類器官因與生理組織的高度類似，可用來模擬實(shí)驗(yàn)藥物反應(yīng)[1]；可用來優(yōu)化治療方案，對(duì)患者進(jìn)行個(gè)體化治療；還可用于評(píng)估藥物毒性如對(duì)肝臟[2]、心臟[3]和腎臟[4]的毒性作用。據(jù)報(bào)道，腎臟類器官很容易對(duì)抗癌藥物產(chǎn)生反應(yīng)，如順鉑的腎毒性會(huì)引起細(xì)胞凋亡[4]。肝臟類器官中處于增殖期的肝細(xì)胞也將成為藥物毒性測(cè)試的重要工具[5]。

圖1 類器官的形成及應(yīng)用

（二）藥效評(píng)價(jià)

類器官技術(shù)在藥物的療效評(píng)價(jià)上有巨大的潛力。研究表明，在所有的聯(lián)合用藥方案中，伏立諾他和奧拉帕尼合用對(duì)治療因磷脂酰肌醇-4，5- 二磷酸-3-激酶-α-催化（phosphatidylinositol-4，5-bisphos-phate 3-kinase catalytic subunit alpha，PIK3CA）和磷酸酶張力蛋白同系物（hosphatase and tensin homolog，PTEN）基因突變所致的子宮肌瘤是最有效的，而在由PIK3CA基因突變引起的子宮內(nèi)膜癌類器官的藥物試驗(yàn)中，伏立諾他和奧拉帕尼聯(lián)用的抗腫瘤效果也最強(qiáng)[6]。同樣，采用類器官技術(shù)發(fā)現(xiàn)對(duì)由鼠類肉瘤病毒癌基因和人體抑癌基因突變所致的晚期結(jié)腸癌聯(lián)合應(yīng)用曲美替尼和塞來昔布治療效果最佳[6]。

（三）新藥篩選

當(dāng)前，幾種疾病和健康組織類器官的對(duì)照生物信息庫(kù)已經(jīng)建立起來。例如，目前已獲得2個(gè)不同生長(zhǎng)時(shí)期結(jié)腸癌類器官及其相應(yīng)健康類器官的對(duì)照生物信息庫(kù)[7-8]，并建立了71個(gè)囊性纖維變性（cystic fi brosis，CF）患者的腸類器官信息庫(kù)[9]。高通量測(cè)序得到的遺傳突變生物信息庫(kù)能為新藥的篩選提供可靠的依據(jù)。這種遺傳篩選證實(shí)了已知的基因與藥物的關(guān)系，也說明了類器官生物信息庫(kù)是可用于高通量篩選的。同樣，CF生物數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)已知藥物的篩選證實(shí)了之前的藥物反應(yīng)數(shù)據(jù)及2個(gè)新的CF相關(guān)藥物。將來利用這些生物信息進(jìn)行的篩選不僅可用于新藥鑒定，而且還有助于現(xiàn)有特定藥物的治療。此外，對(duì)潛在候選藥物的重點(diǎn)測(cè)試便于制藥工業(yè)發(fā)現(xiàn)首選新藥。

二、類器官用于疾病的研究與治療

（一）遺傳性疾病的研究

體內(nèi)的遺傳疾病可以通過類器官表現(xiàn)出來，如腸閉鎖、小頭癥和自閉癥等。來源于遺傳疾病患者的類器官為研究疾病的機(jī)制提供了可能，尤其是對(duì)于復(fù)雜的多基因疾病和尚未鑒定的風(fēng)險(xiǎn)基因位點(diǎn)[10]。采用類器官可以輕易地進(jìn)行精確的靶向基因突變或基因修復(fù)[11]。研究顯示，采用基因編輯技術(shù)矯正突變的基因后，肺類器官的功能得到了恢復(fù)[12]。

（二）傳染性疾病的研究

類器官是由各種分化細(xì)胞組成的特殊器官，這在傳染病的研究中很有應(yīng)用價(jià)值。由于長(zhǎng)期以來缺乏合適的研究模型，對(duì)人體的研究受到限制，而當(dāng)前的動(dòng)物模型研究也不能完全反應(yīng)人體的病理情況。如腸類器官能為諾如病毒提供營(yíng)養(yǎng)，讓其在體外生長(zhǎng)，這一直是很難做到的[13]。

人們已經(jīng)開始利用皮質(zhì)類器官檢測(cè)治療寨卡病毒（zika virus，ZIKV）感染的藥物。25-羥基膽固醇能通過抑制細(xì)胞膜融合阻止病毒進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，這已被感染的類器官模型驗(yàn)證。當(dāng)在培養(yǎng)基中添加25-羥基膽固醇時(shí)，類器官中ZIKV的信使核糖核酸（messenger RNA，mRNA）及ZIKV-E陽(yáng)性細(xì)胞的數(shù)目都急劇下降，卻沒有出現(xiàn)細(xì)胞死亡的現(xiàn)象。采用耐久霉素或伊佛霉素治療能降低ZIKV的mRNA及ZIKV膜蛋白陽(yáng)性細(xì)胞的數(shù)目，但阿奇霉素卻不能降低ZIKV的表達(dá)水平。結(jié)果表明，皮質(zhì)類器官能鑒定哪些藥物對(duì)治療ZIKV感染有效[14]。

培養(yǎng)類器官模型還能直接闡明組織對(duì)病毒感染的特異性反應(yīng)，便于轉(zhuǎn)錄敲出等方法的采用，排除可能的宿主影響因素，篩選出潛在的疫苗[15]。

（三）用于癌癥的精準(zhǔn)醫(yī)療

類器官是由干細(xì)胞自組裝構(gòu)建的體外三維培養(yǎng)平臺(tái)，幾乎可以精確地再現(xiàn)腫瘤的異質(zhì)性和微環(huán)境[16]。與其它模型相比，腫瘤類器官模型有許多優(yōu)勢(shì)，它保留了原腫瘤的分子和細(xì)胞組成，能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)患者的治療反應(yīng)，能進(jìn)行臨床前藥物篩選，為患者制定個(gè)性化的治療方案[17]。

研究表明，類器官能真實(shí)地反應(yīng)胃腸癌患者的治療反應(yīng)，如對(duì)化療藥物的高敏性（100%）和特異性（93%）等[1]。有研究小組鑒定了人胃癌類器官對(duì)傳統(tǒng)化療方法有明顯的反應(yīng)[18]。根據(jù)臨床觀察，雄激素受體（androgen receptor，AR）過量的前列腺癌類器官對(duì)AR抑制劑恩雜魯胺反應(yīng)靈敏，而不含有AR的前列腺癌類器官卻對(duì)此藥物毫無反應(yīng)[19]。

（四）用于研究神經(jīng)精神疾病

人腦類器官能模仿人的特征如人腦的細(xì)胞種類和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及疾病對(duì)基因突變的影響等鼠模型難以實(shí)現(xiàn)的[10]。動(dòng)物模型有明顯的物種差異包括發(fā)育程序、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)胞組成和遺傳背景，影響了它與人類疾病之間的相似度。動(dòng)物模型在許多人類認(rèn)知和行為性疾病的研究中難以應(yīng)用，如自閉癥譜系障礙和精神分裂癥等多基因疾病[10]。

類器官模型具有更復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)，為研究提供了許多新的可能性。研究報(bào)道，細(xì)胞來源于嚴(yán)重先天性自閉癥譜系障礙（autism spectrum disorder，ASD）患者及其正常第一代親屬的前腦類器官,患者來源的類器官中叉頭框G1基因（前腦發(fā)育的重要基因）的表達(dá)調(diào)節(jié)異常，細(xì)胞周期進(jìn)程加快，γ- 氨基丁酸能神經(jīng)元的合成增多。對(duì)整個(gè)類器官的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行分析，能發(fā)現(xiàn)不同類器官的組成差異，這說明類器官能用于鑒定神經(jīng)精神疾病的分子和細(xì)胞的改變[20]。

腦類器官也被用于模擬Timothy綜合征，一種嚴(yán)重的神經(jīng)發(fā)育性疾病，特征表現(xiàn)為ASD和癲癇。將誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來源于Timothy綜合征患者形成的背部和腹部的前腦器官融合，建立中間神經(jīng)元遷移的模型，模型顯示細(xì)胞自主遷移存在缺陷[21]。

三、 研究組織器官發(fā)育

類器官在生物醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)研究中極具潛力，這個(gè)新興的工具使人們能在體外研究器官的形成、譜系的分化和組織內(nèi)部的動(dòng)態(tài)平衡。據(jù)報(bào)道，用人的胃類器官能在體外模擬胃的器官形成，如經(jīng)過一系列的關(guān)鍵時(shí)期如定形內(nèi)胚層的誘導(dǎo)、后腸的特化、前腸的管腔形成及特化、排列成基底或管腔的結(jié)構(gòu)圖案及上皮細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化[22]。一個(gè)月之后，該胃類器官與人的胚胎胃組織的轉(zhuǎn)錄譜非常類似[22]。肺類器官包含中胚層和肺內(nèi)胚層，在3D培養(yǎng)系統(tǒng)中形成分支狀的導(dǎo)氣管和早期的肺泡結(jié)構(gòu)[23]。根據(jù)基因表達(dá)和結(jié)構(gòu)分析，肺類器官的分支結(jié)構(gòu)相當(dāng)于人類懷孕中期時(shí)的胚胎肺[24]。

人類大腦三維類器官體外模型為研究人類大腦發(fā)育提供了前所未有的機(jī)會(huì)，能再現(xiàn)大腦的區(qū)域復(fù)雜性、細(xì)胞多樣性和回路功能。Quadrato等[23]分析了從31個(gè)人類大腦類器官中分離出來的80000多個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá)，發(fā)現(xiàn)類器官能形成多種多樣的細(xì)胞包括大腦皮層和視網(wǎng)膜細(xì)胞。類器官可在較長(zhǎng)時(shí)間（超過9個(gè)月）內(nèi)發(fā)育，以便建立相對(duì)成熟的特征，包括樹突棘的形成和自發(fā)活躍的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。利用光刺激光敏細(xì)胞可控制類器官內(nèi)的神經(jīng)活動(dòng)，為利用生理感官刺激來探測(cè)人類神經(jīng)回路的功能提供了一種方法。

四、用于組織器官的移植修復(fù)和治療

現(xiàn)代再生醫(yī)學(xué)的目的在于通過同種異體移植，用相應(yīng)的健康組織替換疾病組織。然而，除了健康供體組織的供不應(yīng)求外，內(nèi)在的免疫排斥反應(yīng)對(duì)被移植組織在受體患者身體內(nèi)的長(zhǎng)期存活和功能影響都構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。類器官技術(shù)使研究人員能利用患者的活檢組織或易獲得組織培養(yǎng)出相同基因型或與患者淋巴細(xì)胞抗原相匹配的類器官，從而避免免疫排異反應(yīng)。

在急性肝功能衰竭的小鼠肝臟類器官移植實(shí)驗(yàn)中，臍帶來源的內(nèi)皮細(xì)胞、間質(zhì)細(xì)胞以及由內(nèi)皮細(xì)胞誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞共培養(yǎng)形成的肝臟類器官能改善肝功能，提高患病小鼠的存活率[25]。將從人體膽管樹分離得到的膽管細(xì)胞進(jìn)行體外大量擴(kuò)增，能重建肝外膽管類器官，其超微結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)錄譜及其功能都與親本高度相似[26]。當(dāng)被移植到小鼠的腎包膜下后形成了管狀結(jié)構(gòu)，并檢測(cè)到膽管細(xì)胞的關(guān)鍵標(biāo)志物細(xì)胞角蛋白（cytokeratin，CK）-19基因的表達(dá)[26]。人的胰腺類器官被移植到免疫缺陷小鼠體內(nèi)后能形成胰島素分泌細(xì)胞[27]，這些細(xì)胞被移植后能改善糖尿病鼠的高血糖癥狀[28]。

視網(wǎng)膜類器官能產(chǎn)生大量的光感受器用于視網(wǎng)膜變性和失明的細(xì)胞治療[29]。還有研究報(bào)道，通過基因編輯技術(shù)校正了視網(wǎng)膜色素變性類器官中的尿苷三磷酸酶，使突變基因的表達(dá)趨于正常，修復(fù)了感光器結(jié)構(gòu)，使其電生理特性恢復(fù)正常[30]，之后就可用于移植替換。

五、總結(jié)與展望

當(dāng)前培養(yǎng)的類器官結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只是具有其相應(yīng)器官胚胎發(fā)育階段的特征，并沒有包含該器官所有類型的細(xì)胞和結(jié)構(gòu)特征。這必然會(huì)影響到它在藥學(xué)研究和臨床應(yīng)用中的真實(shí)性和可靠性，只能部分替代動(dòng)物建立疾病模型，提供一些依據(jù)和參考。目前培養(yǎng)出結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的血管化并有神經(jīng)系統(tǒng)的形體更大的類器官是一個(gè)瓶頸問題亟待解決。因此需要大力改進(jìn)類器官的培養(yǎng)方法和技術(shù)，如充分利用干細(xì)胞的多向分化特性和細(xì)胞的自組裝能力、優(yōu)化建立3D培養(yǎng)體系、通過試驗(yàn)比較精心挑選用于構(gòu)建不同類器官的最佳干細(xì)胞種類（胚胎干細(xì)胞、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞還是哪種成體組織干細(xì)胞）、與干細(xì)胞共培養(yǎng)的內(nèi)皮細(xì)胞類型（臍帶內(nèi)皮細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞等）和間質(zhì)細(xì)胞類型。還要注意這些共培養(yǎng)細(xì)胞的數(shù)目與比例以及誘導(dǎo)培養(yǎng)類器官的各種類型細(xì)胞加入的時(shí)間先后順序和時(shí)間長(zhǎng)短，為高度逼真類器官的形成提供更好的細(xì)胞微環(huán)境。

此外，在類器官的培養(yǎng)過程中，需要在培養(yǎng)基中添加生長(zhǎng)因子及各種化學(xué)試劑，這可能會(huì)造成細(xì)胞基因突變，使類器官的生長(zhǎng)發(fā)育異常，因此應(yīng)盡量減少化學(xué)試劑的應(yīng)用。而且基質(zhì)膠的應(yīng)用也會(huì)影響藥物的滲透，不利于藥物的篩選，可以考慮旨在用于藥物篩選的類器官培養(yǎng)應(yīng)避免使用基質(zhì)膠。培養(yǎng)基的組分需要精心設(shè)計(jì)以適合類器官的長(zhǎng)期培養(yǎng)，不斷調(diào)整以滿足不同生長(zhǎng)時(shí)期類器官的營(yíng)養(yǎng)需求。當(dāng)前培養(yǎng)的類器官已初具雛形，因其市場(chǎng)應(yīng)用前景光明，其發(fā)展勢(shì)頭必將迅猛。它為藥物和疾病的研究提供了新的平臺(tái)和工具，能預(yù)測(cè)藥物的治療反應(yīng)和效果，為特殊患者的個(gè)體化治療提供依據(jù)，為瀕死患者帶來希望，是人類對(duì)干細(xì)胞的研究和應(yīng)用取得的新的認(rèn)識(shí)與突破。