「三维」科学研究时代一大“利器”：类器官培养

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早在几十年前，科学就发现了哺乳动物的细胞具有分化成自身组织的能力，因此，有许多科学家大胆假设：人类可以在体外利用细胞培养出各种器官，也就是类器官。类器官技术在2013年被Science杂志评选为十大科学进展，成为过去十年再生医学领域最重要的生物技术之一。

广义上，类器官是指在结构和功能上都类似来源器官或组织的模拟物，其为成熟器官来源的三维上皮结构，包含干细胞或祖细胞，能够独立扩增并且分化为器官特异性上皮[1]。有学者认为，在更深层面上，类器官是源于多能干细胞或器官祖细胞且具有胚层特异性的“类器官体”，其包含目标器官中至少一种细胞类型，能够自组装为器官样结构并具有其生理结构和功能特征[2]。现在，通过3D培养技术在体外利用干细胞或类器官模拟人类器官组织的生理发育过程和诱导致病，并应用于生物医药和再生医学，已成为目前组织工程和再生医学领域的新热点[1]。

图1：类器官方法概述[2]

类器官培养技术发展概述

从类器官的定义上，我们可知“自组装”是类器官形成的关键，其是指在无外力干预的条件下，干细胞或多细胞依靠各组分间的相互作用自我分化为多种结构的过程，例如在唾液腺上皮细胞的三维培养中可见自发形成的分支样或者芽状结构。这一过程的自发形成依赖于生理性的內源机制，并由细胞与基质间以及细胞与细胞间的多种细胞因子及信号通路共同参与。

2010年开始，不断有国外学者在小鼠体内发现了肠道干细胞在体内似乎具有不受限制的分裂能力，这些细胞能够不断更新肠道内皮细胞。将这些肠道干细胞置于凝胶基质中生长来模拟组织的细胞外基质的微环境，发现这些肠道干细胞开始分裂、分化，并分化成不同的细胞形成了有孔的球状结构。这些球状结构的表面形成了很多突起，并在其内部发现了类似肠道绒毛和隐窝结构。这种类器官培养系统操作比较简单，它只需要两个必要条件。其一，利用人工基质膜代替细胞外基质；其二，补充多种细胞因子如WNT、Noggin、R-spondin以及EGF等作为其诱导信号。这种类器官培养方法形成的组织有明显的类似肠道绒毛和隐窝结构，因此这种方法又称为R-spondin方法。利用这种类器官的培养系统形成的组织具有明显的组织形态以及分化后的细胞同样具有明显的分化亚型。随着类器官培养技术的不断发展，这种系统同样应用于人的结肠、胃以及肝脏的培养[3]。

需要注意的是，不同类器官的内源机制并非固定不变，时间、空间的变化均可增加其复杂性和多样性。在类器官形成过程中，关于自组装的相关调控机制等问题，仍需要进一步深入研究。

图2：类器官发展简史[2]

肿瘤精准治疗时代：类器官培养对肿瘤免疫治疗进行最全面的评估

肿瘤为一复杂和多样性疾病，在分子遗传上具有很大异质性，即使相同病理类型的癌症患者，对抗癌药物反应迥异，精准医疗显得格外重要。肿瘤类器官，作为一种全新的3D临床前疾病研究模型，在药物敏感性筛查方面具备高通量、高特异性的特点，在预测抗癌药物有效性上具有88%的阳性预测值以及100%的阴性预测值，可以为肿瘤患者筛查和优化选择有潜在疗效的药物，并为多线治疗失败的患者寻找新的希望。

而在类器官共培养中，肿瘤类器官与免疫细胞的共培养的关注度是最高的。2019年，Natureprotocol杂志上发表了关于肿瘤类器官和T细胞共培养的研发步骤，使用肿瘤类器官和自体外周血共培养体系对肿瘤反应T细胞（tumor-reactiveTcells）进行了功能性评估。

图3：Tumororganoid–T-cellcoculturesystems[4]