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顾名思义，类器官即类似于真实器官。科学地讲，类器官是由干细胞或者从病人身上提取的肿瘤组织在特定的3D体外微环境下自组织发育而来的、高度模拟体内真实器官特征的小型化的体外器官模型。因其可以在很大程度模拟目标组织或器官的遗传特征和表观特征，在器官发育、精准医疗、再生医学、药物筛选、基因编辑、疾病建模等领域都有广泛的应用前景。2013年，类器官被《科学》杂志评为年度十大技术。2018年初，类器官被评《自然·方法》评为2017年度方法。
近日，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。其余包括胃、肠、肝、胰腺、肺、脑、肾和肺等类器官。
在全球范围内类器官已经显示出其强大的发展潜力，国外已经形成一定的市场竞争格局，但国内还未真正形成竞争市场，前期多家公司已经开始在该领域积极布局，可谓是暗流涌动。不仅如此，2021 年国家科学技术部发布的「十四五」国家重点研发计划中也将类器官与人源化动物模型作为重点方向。
《「十四五」国家重点研发计划「干细胞研究与器官修复」重点专项 2021 年度项目申报指南》（征求意见稿）部分内容
类器官技术近些年来发展迅猛，取得了许多令人振奋的成就。2020年9月，来自日本Lee J. 等人成功制作出可以自主搏动的心脏类器官，结果发表在《自然·通讯》杂志上。今年 3 月，美国研究人员发现，由人类干细胞衍生的三维大脑类器官的成熟方式与人类大脑的发育方式惊人相似。类器官究竟起源何处，在过去的几十年来又经历了怎样的发展，本期推文将与你娓娓道来。
可以搏动的心脏类器官 (Lee J. et al.)
科学家尝试在体外模拟器官要追溯于18世纪，Henry Van Peters Wilson发现机械解离后的海绵细胞可重新在体外自我聚集成为一个新的生物体。在随后的几十年内，很多实验室尝试生成了各种不同的器官，主要是在两栖动物和鸡胚中。对类器官技术而言，另外一个十分关键的契机是干细胞技术的发展。而随着多能干细胞的出现，人们发现体外干细胞可自我发育成畸胎瘤或类胚体（EB），而在畸胎瘤中科学家检测到了从不同组织来源的细胞，因此类器官的培养开始从2D转为3D，使得细胞的发育过程可以形成更加复杂的三维结构。从1987年开始，多个实验室成功的使用3D培养方法从干细胞构建了类似器官的培养物。2006年，Yaakov Nahmias和David Odde在体外将自我组织的vascular liver organoid成功培养了50天以上。2008年，Yoshiki Sasa的研究团队发现，干细胞可以自我组织成为神经球体，并在不同区间具有不同类型的细胞分层。2009年，Hans Clever发现了肠道隐窝基底处的Lgr5阳性的细胞为肠上皮更新的关键 - 肠干细胞，揭开了Organoid-类器官这个领域的新篇章。当代类器官的发展成果，主要集中在近十余年。
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。
类器官发展历程
(Claudia Corrò et al. Am J Physiol Cell Physiol, 2020)
类器官的另一个研究热点便是病人来源的类器官 (Patient-Derived Organoids, PDOs)，因为此种方法通常用于肿瘤患者的疾病建模、研究与药物筛选，狭义上又常常被称为肿瘤类器官。肿瘤类器官的发展开始于2013年，自此之后呈逐年上升趋势。肿瘤类器官是指将患者活检、穿刺或手术切除组织在基质胶中培养数周得到的类器官。肿瘤类器官在高度保持源肿瘤的异质性和患者之间的异质性的同时，类器官个体间形态、尺度保持基本均一，为肿瘤发病机理研究、药物筛选、个性化精准医疗、再生医学等领域提供了快速、优良的技术平台。
在Pubmed上搜索 “类器官” 这一词条，类器官相关文章从2010年的42篇，在短短十年间，跃升到2020年的2097篇，2021年刚过去四分之一，也已经达到了661篇。类器官以极迅猛的态势成为研究热点。
2010-2021年类器官相关文章数量柱形图 (Pubmed)
虽然前进光明，但是也存在一些我们不得不注意的挑战，目前类器官体系存在的可重复性问题、不完善的细胞类型以及普遍缺乏成熟度的问题，都会限制其在研究细胞类型特异性相关的正常或疾病过程中的总体效应。基于对广泛细胞类型可再生性的方案的改进，类器官研究面临的另一个挑战是如何使细胞组织成足以支持各细胞类型之间功能相互作用的空间型态。类器官的生长能力有限，当其超过一定大小时，很多细胞组织仍然是不成熟的。对大脑类器官来说，祖细胞区域的初步组织是共同特征，但有丝分裂后神经元外套膜的形成更具变数，主要神经元层的组织也并没有精确地再现，此外，目前皮质折叠（人类大脑皮层的一个显著特征）也难以完成。类器官细胞的起始来源或许是这些问题存在的一个重要原因。当然，培养技术的革新，如旋转生物反应器和轨道振荡器，改善了类器官中心的氧化和营养供给，从而支持了整体组织的健康。此外，类器官切片培养有助于保存在培养过程中可能丢失的细胞结构组织。所有这些创新的生物工程方法都已经开始解决目前类器官存在的问题，以促进更大更成熟的类器官的生长，但是就目前而言，类器官仍然存在细胞结构组织的变异性和多能细胞系之间的大小差异。我们期待更多令人兴奋的生物工程技术的发展，但是这些都应该以原位人类皮质发育的细胞结构特征为基准。诚如上文所述，尽管基因表达研究在解决细胞类型和状态方面有着前所未有的能力，并有助于改善体外方法，但它们在捕获细胞特性的特征方面仍然存在局限性。细胞的特性的完善是由形态学、表观遗传状态、蛋白质和小RNA丰度、连接性、细胞器组成和分布以及功能参数等特征共同完成的，而不仅仅是转录组学所反映的。而目前对类器官的代谢和生理机能保真度的评估仍是困难重重。而多模式比较，包括蛋白质组学、表观遗传分析、代谢组学和原位组织中细胞类型的电生理特性与类器官模型的结合，将更有效地确定细胞组成和代谢驱动的类器官方案的优化。此外，更好地认识类器官与体内组织之间的差异，也将促进新方法的发展，以提高类器官模型的保真度。类器官培养被认为是进行人体组织实验研究的首选模型，但是不得不引起重视的是，类器官和原位组织之间的功能差异可能对理解真实疾病机制的生理过程有着重要的影响，而这些潜在的重要差异往往是最容易被忽视的。如果由此研究出来的候选途径或机制在开发新的疗法之前没有得到验证，那么这些差异可能会付出以病人的健康和安全为前提的巨大代价。因此，类器官模型不能成为唯一，作为对其的制衡，基于原位组织和动物模型的研究仍将是生物医学研究的金标准（图1）。这些实验模型能够研究目前类器官无法触及的高阶特征，如复杂的脑回路、动物行为和生理等。当然，新技术的发展、生物工程的创新和培养技术的改进可以使人类组织的长期培养成为可能，从而使功能性基因实验成为可能。但是，利用基因编辑的创新、细胞型特定病毒和其他可用于研究特定基因的分子工具，经典的动物模型、非模型生物和体外培养等方法仍可以很好的用于功能实验的研究，它们不应该被类器官模型所取代。
