鹿特丹大学医学中心伊拉斯姆斯 MC 移植研究所外科部的科研人员2025年2月3日在Nature medicine上发表综述性文章，展示了上皮类器官研究和技术的关键成就，并对类器官在促进人类健康和医学方面的未来发展进行了展望。

人类类器官的临床应用：突破与挑战

类器官的定义与发展

类器官是由干细胞或组织特异性细胞构建的三维（3D）自组织结构，能够模拟人类组织的生理特性，在过去二十年内极大地推动了生物医学研究，特别是在疾病建模、药物开发、再生医学等领域。

自2008年Eiraku等人首次利用胚胎干细胞（ESCs）生成皮层神经上皮类器官以来，该领域迅速发展。2009年，Sato等人成功培养出来源于成体干细胞的肠道类器官，而2011年，研究者利用诱导多能干细胞（iPSCs） 生成肠道类器官，使其适用于更广泛的个性化医学研究。

目前，成人干细胞来源的上皮类器官（epithelial organoids）是研究最广泛的类别，已形成超过10,000篇相关文献，涵盖肠道、肝脏、肺、胰腺、肾脏等多种组织类型。

类器官研究的技术进步

多细胞类型类器官系统的发展：通过添加免疫细胞、成纤维细胞、神经细胞、血管和细胞外基质等，提高了类器官的复杂性，使其更接近真实组织和疾病模型。

基因工程的应用：利用CRISPR-Cas9技术对类器官进行基因编辑，可以研究遗传疾病和测试靶向疗法。例如，通过CRISPR工程化的人肝细胞类器官，可以模拟导致纤维板层癌的不同突变。

3D生物打印技术的应用：3D生物打印技术能够精确控制类器官内不同细胞类型和细胞密度的空间分布。它还可以控制机械（刚度）、生物（生长因子）和几何（曲率）等线索，并创建用于供应营养物质和氧气的通道。3D生物打印与类器官结合，提高了建模组织的复杂性，并已被用于构建肝脏和肾脏组织模型。

4D生物打印技术的发展：4D生物打印是3D生物打印的扩展，其中生物打印结构的形状和/或特性会随着时间的推移而改变。4D生物打印技术可以用于更复杂的时间依赖性动态控制，例如在类器官生长和发育过程中改变生物材料的特性或特定物理或生物线索的浓度。

类器官与人工智能（AI）的结合：类器官模型可以产生高通量且具有代表性的数据，用于训练AI模型。反过来，AI模型可以加速类器官的开发和应用，例如构建新型类器官系统、多尺度图像分析和高通量多组学数据分析。

微流控和器官芯片技术：将类器官与微流控和器官芯片技术相结合，可以为类器官提供连续的培养基流动，从而增强类器官的生理环境。

实验室自动化：自动化和机器人技术可以更均匀和准确地启动、传代和评估类器官培养。

类器官与精准诊断和临床决策

组织来源的成体干细胞类器官的一个特点是，它们重现了其起源组织的基因突变等特征。此外，这些成体干细胞类器官还具有自我更新能力，并有可能产生完全分化、自组织的成熟上皮细胞。这些特性使类器官培养物成为研究患者特异性疾病和治疗反应的绝佳模型：

先进的癌症模型

从患者肿瘤组织中建立的类器官与体内肿瘤在组织学和功能上具有高度相似性。已为各种类型的癌症建立了类器官，包括结直肠癌、前列腺癌、胰腺癌 、胃癌、肝癌、胆道癌、乳腺癌和神经内分泌肿瘤。使用这些患者来源的类器官进行药物筛选正在进行中，这使得肿瘤类器官成为推进药物发现和个性化医疗的有力研究工具。

截至2024年10月，在ClinicalTrials.gov数据库中搜索显示，有36项试验使用类器官进行各种类型癌症的个性化医疗。目前，基于类器官的个性化癌症治疗尚未获得批准，但有两项试验处于3期；因此，该类应用在未来有可能获得批准并应用于临床。

值得注意的是，中国类器官的临床研究处于领先地位，仅有的两项处于3期的研究均来自中国，分别是中山大学的乳腺癌和西京医院的胃肠道肿瘤研究。研究肿瘤类器官体外药敏筛选与其抗肿瘤治疗临床疗效的相关性，评估利用肿瘤类器官药敏结果预测抗肿瘤药物治疗效果。

尽管基于类器官的精准医疗策略已进入临床试验阶段，但肿瘤的复杂性仍是一个持续的挑战（这一挑战并非类器官方法所独有）。

肿瘤包含许多非肿瘤细胞类型，包括基质细胞，例如癌相关成纤维细胞(CAF)和免疫细胞，它们共同调节炎症反应和免疫。目前的类器官培养方案在类器官启动过程中去除了所有基质成分，如成纤维细胞、免疫细胞和细胞外基质，仅培养上皮癌细胞。因此，很难真正重现治疗药物（特别是免疫疗法）的效果以及癌细胞与CAF、免疫细胞和细胞外基质之间的相互作用。

为了解决这些问题，必须进一步发展传统的类器官培养技术，并通过共培养或增强癌症类器官与CAFs、外周血单核细胞、肿瘤浸润淋巴细胞和其他免疫细胞以及细胞外基质来建立下一代类器官，以模拟肿瘤微环境。

最近的研究表明，将癌症类器官与免疫细胞共培养可用于评估T细胞介导的肿瘤杀灭效果。在胆管癌的情况下，使用分离的肿瘤细胞外基质已被证明优于类器官培养中常用的标准基底膜提取物。值得注意的是，胆道肿瘤类器官开始在培养中重塑其环境，并根据其生长的基质表现出显著的差异，这再次证明在建立疾病模型和评估癌症治疗效果时，纳入代表性组织微环境非常重要。下一代类器官重现了微环境的基质和非细胞成分，有望成为针对难治性癌症的个性化医疗的强大临床前模型，有望改善癌症患者的治疗效果。

类器官用于研究新出现的公共卫生挑战

揭示环境风险因素的影响

上皮组织是受任何外部干扰影响的组织初始层，特别是在微重力等极端环境下以及在太阳或其他类型辐射的情况下。上皮类器官已成为体外评估环境污染物毒性、遗传毒性和药物毒性的有力工具。类器官已用于评估各种毒素造成的健康风险，包括呼吸道类器官中聚苯乙烯微塑料纤维和颗粒物（PM 2.5）的肺毒性、心脏类器官中聚苯乙烯微塑料的心脏毒性、肝脏来源的类器官中聚苯乙烯微粒的肝毒性、肾脏类器官中羟基化第5代PAMAM树枝状聚合物纳米颗粒的肾毒性、乳腺类器官暴露于双酚A、邻苯二甲酸单正丁酯和多氯联苯后的乳腺毒性以及结肠类器官中载有苯并[ a ]芘的老化聚苯乙烯微塑料的胃肠道毒性。此外，类器官已被用来评估基因毒性；最近的一项研究使用健康肠道衍生的类器官在体外模拟放化疗引起的DNA损伤，突出表明氟马西尼是一种很有前途的放化疗保护剂。微塑料正逐渐成为人类暴露的一个重要（且研究不足）组成部分，类器官正被用于研究其对健康的影响。微塑料在病毒传播方面也令人担忧，因为它们（和其他环境污染物）可能携带可通过吸入或摄入传播的病原体。因此，未来的研究应扩大类器官的应用，以评估此类综合环境暴露的影响。

人口老龄化的挑战

在过去的两个世纪里，大多数发达国家的人类预期寿命翻了一番。人口老龄化将产生社会后果，影响经济、社会结构和医疗保健系统。衰老的特点是细胞和染色体损伤的积累、体内平衡被破坏以及器官再生能力的下降，这些过程非常适合在类器官模型中进行分析。

通过对来自小肠、结肠和肝脏的克隆类器官进行测序，结果显示全基因组突变模式随着时间的推移而稳步积累。有趣的是，不同类型的细胞显示出不同的突变谱，这似乎与细胞分裂率和其他可能引发肿瘤发生的内在过程有关。其他类器官研究表明，这些突变差异可能是由于不同器官采用不同的DNA修复机制，并受潜在疾病的影响。此外，肠类器官已用于识别肠道干细胞及其微环境缺陷在衰老肠上皮中的调控作用。同样，肺泡类器官也可用作体外损伤修复模型，并揭示持续的细胞衰老可削弱肺泡再生，导致肺纤维化。

值得一提的是，衰老代表一种细胞状态，它不仅与人类衰老有关，还会对类器官形成的效率和干细胞自我更新潜力产生负面影响。研究表明，与年轻研究参与者的肠上皮相比，老化肠上皮形成人类类器官的频率下降。此外，肝移植期间的冷藏会引发胆管细胞衰老，降低胆管细胞类器官形成和功能的效率，而衰老细胞清除治疗可以改善这种情况。因此，上皮类器官在衰老研究中具有巨大的潜力。未来，它们可以帮助揭示衰老机制中组织和器官特异性差异，并创建一个平台来研究预防和治疗策略以对抗与衰老相关的疾病。

来自太空研究的健康见解

辐射和微重力在细胞和组织层面对人体健康产生不利影响，包括基因表达、细胞功能和组织形态的改变。在太空中进行的类器官实验可以通过分析微重力如何影响类器官的发育和分化来帮助解决这些问题，为太空旅行期间的组织适应提供见解，并揭示治疗干预的新目标。通过使来自胃肠道、肾脏或肺部的上皮类器官处于地球上的模拟微重力环境中或在空间站进行实验，可以解决太空引起的改变的潜在机制。这些见解可能有助于减轻对宇航员和未来太空旅行的不利健康影响。

虽然在生物太空研究中使用类器官的最初目的是研究微重力和辐射如何影响宇航员的组织，但类器官模型也被用于研究太空环境中加速衰老的机制，为（抗）衰老研究做出贡献，这与太空旅行者和地球上的人口都息息相关。器官在研究极端条件的影响时特别有用，例如在太空中遇到的条件，以及在战区或环境恶劣的偏远地区遇到的条件。它们在可扩展性方面具有明显的优势，并允许进行大量重复，这在尺寸受限的实验室环境（例如空间站中的实验室环境）中至关重要。

尽管类器官具有优势，但在太空研究中使用类器官并非没有挑战，主要是在微重力环境中培养和维持类器官的技术限制，这需要创造性的实验设置和技术创新。尽管已经取得了进展，特别是在国际空间站（https://www.nasa.gov/international-space-station/），但优化太空中的类器官培养系统仍然是当务之急。这涉及建立原代（干细胞）生物库、用于培养基更换和取样的机器人过程自动化、处理细胞外基质、配制生长因子混合物以及整合先进的成像和组学技术以全面表征细胞反应。在未来的空间站内（国际空间站时代之后）建立完整的细胞或组织培养环境对于满足所有要求并为成功研究提供必要的受控条件至关重要。

临床类器官应用面临的挑战

从组织活检或液体（例如胆汁、胰液或尿液）中启动类器官培养是可行的，但并非总是有效。例如，从原发性肝肿瘤中启动肿瘤类器官的效率略高于30%，这意味着每100个肿瘤中，只有30个会在已证明是实际肿瘤的类器官中生长。这里的挑战（很可能是所有与肿瘤相关的个性化医疗应用中的挑战）是减少或消除非恶性细胞的生长，因为在目前的扩增方案中，这些细胞具有增殖优势，而肿瘤细胞的生长则受到限制。为了应对这些挑战，需要重新考虑和优化培养条件。此外，确定每个类器官系建立后的致瘤性至关重要，因为这在培养中并不总能重现。

对于某些应用，例如用于治疗口干症的类器官衍生细胞输注，只需要少量细胞。相比之下，某些其他细胞疗法应用则需要大量类器官。例如，修复受损的胆管以再生原本会被丢弃的供体肝脏，需要数百万个细胞才能有效。生产如此大量的细胞，尤其是以临床级方式生产，需要大量劳动力和成本，还需要大量的一次性塑料，从而带来环境问题。因此，扩大3D类器官培养需要创新的方案。细胞扩增技术的最新进展包括专门设计的旋转瓶，可增强肝脏衍生类器官的扩增。然而，这些仍然需要使用小鼠肿瘤衍生的基底膜提取物(或Matrigel)，而这些提取物的定义不明确，批次间存在差异，可能不容易获得监管机构的批准。替代性水凝胶，无论是合成的还是器官衍生的，目前都还无法大量获得质量稳定的产品，而且这些替代性水凝胶在培养过程中能够支持类器官扩增多长时间尚不清楚。

目前，成体干细胞衍生的类器官仅含有上皮细胞，缺乏相关的基质细胞，并且基质相互作用有限。尽管从这个意义上说，iPS细胞可能具有更广泛的应用，但从iPS细胞分化出所有类型的基质细胞是一项更大的挑战。因此，目前的总体设想是通过在上皮类器官中添加其他细胞类型（如免疫细胞、成纤维细胞、神经元细胞和细胞外基质）来设计更复杂的模型。这是一个相当大的挑战，需要完善的（无动物产品）培养基来支持所有细胞类型。此外，最佳细胞比例以及保持免疫细胞和成纤维细胞处于获得性活化状态也是尚待解决的问题。未来的研究方向包括破译共培养系统中的细胞与细胞和细胞与基质之间的通讯，以更好地研究疾病进展或组织再生。

类器官技术正在快速发展，并逐步进入临床试验阶段。虽然仍面临挑战，但随着生物工程、人工智能和细胞培养技术的进步，类器官有望成为精准医疗和再生医学的核心工具，为人类健康带来革命性突破。

文章来源：

Monique M A Verstegen, Rob P Coppes, Anne Beghin, et al.Clinical applications of human organoids.Nat Med.2025 Feb;31(2):409-421.doi: 10.1038/s41591-024-03489-3. Epub 2025 Feb 3.