类器官——疾病研究和药物开发的重要工具
The following article is from 细胞世界 Author 祁昊楠
长期以来科学家们都利用动物模型来进行疾病研究和药物开发，而随着生命科学的发展，他们尝试着复制和重建人类器官——于是，类器官诞生了。
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什么是类器官
顾名思义，类器官，即是指它类似于组织器官。其实，它本身是一种基于3D体外细胞培养系统建立的，与体内的来源组织或器官高度相似的一种模型。这些3D体外培养系统可复制出已分化组织的复杂空间形态，并能够表现出细胞与细胞之间、细胞与其周围基质之间的相互作用和空间位置形态。而其本身又能做到与体内分化的组织器官具有相似的生理反应，与来源组织具有极高的相似性。
与传统2D细胞培养模式相比，3D培养的类器官包含多种细胞类型，能够形成具有功能的“微器官”，能更好地用于模拟器官组织的发生过程及生理病理状态，因而在基础研究以及临床诊疗方面具有广阔的应用前景。
科学家Lancaster 和 Knoblich这样定义类器官：
“器官特异性细胞的集合。这些细胞从干细胞或器官祖细胞发育而来，并能以与体内相似的方式经细胞分序(cell sorting out) 和空间限制性的系别分化而实现自我组建”。
图1：类器官定义及主要特征
基于这一定义，可以发现类器官具备这样几个特征：
(1) 必须包含一种以上与来源器官相同的细胞类型；
(2) 应该表现出来源器官所特有的一些功能；
(3) 细胞的组织方式应当与来源器官相似。
02
第一个3D类器官是怎么来的
图2：类器官研究历史
回顾类器官的研究历程，必然要谈到“类器官鼻祖”——科学家Hans Clevers。
2007年，Hans Clevers的实验室通过lineage tracing实验发现小肠和结肠的干细胞为Lgr5+细胞（如下图所示）。2009年，他又和自己实验室的博士后Toshiro Sato用来源于小鼠肠道的成体干细胞培育出了首个微型肠道类器官。
图3：小肠干细胞和结肠干细胞标志基因Lgr5的发现
这一切是怎么发生的？
Hans Clevers的实验团队将小鼠肠段中分离出来的隐窝细胞培养在含有ENR（EGF、Noggin、R-spondin）的三维Matrigel培养体系中，他们发现该培养体系下隐窝细胞能够形成类似于肠的微型结构，即隐窝-绒毛样复合体。他们也利用了该培养体系对前期分离并鉴定出来的单个Lgr5+肠干细胞进行培养，发现也能形成具有上述特殊结构的类器官；追踪实验表明，该类器官仍具有Lgr5+肠干细胞的存在，所以该模型能够很好地模拟体内小肠的形态结构和功能。
这种肠类器官体系的成功建立开启了类器官研究的新篇章，迅速成为新的研究热点。
图4：肠道隐窝培养系统的建立，单个Lgr5+肠干细胞生成隐窝绒毛结构
Hans Clevers的培养方法启发了其他科学家，他们从小鼠和人的组织中培育出多种类器官。这些类器官细胞团块小到没有血液供应仍能存活，然而又足够大和复杂，可以帮助我们了解组织和整体器官发育，以及生理病理的相关知识信息。
目前3D类器官培养技术已经成功培养出大量具有部分关键生理结构和功能的类组织器官，比如：肾、肝、肺、肠、脑、前列腺、胰腺和视网膜等。
03类器官的治疗潜能
图5：类器官的产生和治疗潜能
类器官的研究主要集中于疾病模型，如发育相关问题，遗传疾病，肿瘤癌症等。通过使用患者的iPSCs（iPSCs：诱导多能干细胞，是通过基因转染技术将某些转录因子导入人或动物体细胞，使体细胞直接重构为胚胎干细胞样的多潜能细胞）可建立有价值的疾病模型，并能在体外模拟重现病人疾病模型；同时，类器官的建立可以实现对药物药效和毒性进行更有效、更真实的检测。由于类器官可以直接由人类iPSCs直接培养生成，相比于动物模型很大程度上避免了因动物和人类细胞间的差异而导致的检测结果不一致。
不过，目前在体外构建组织和器官仍是一大挑战——希望类器官的建立及研究可以帮助人类在这方面更进一步。
04类器官在癌症研究治疗中的应用
目前，类器官多用于肿瘤癌症的研究中。观察下图中临床前肿瘤癌症模型的比较，可以发现类器官有着很强的优势：
J. Drost, H. Clevers, Nature Reviews Cancer, 2018.
图6：临床前肿瘤癌症模型的比较
（1） 类器官的培养可用于临床前癌症的治疗检测及药物药效和毒性测试。在转化医学的研究中，类器官也发挥着不可小觑的作用，并逐渐走向肿瘤癌症基础研究和临床治疗的中央舞台。
图7：类器官培养应用于个性化癌症治疗和药物开发
可以从患者来源的健康和肿瘤组织样品中建立类器官。与此同时类器官培养物可用于药物筛选，这可将肿瘤的遗传背景与药物反应相关联。来自同一患者健康组织的类器官的建立提供了通过筛选选择性杀死肿瘤细胞而又不损害健康细胞的化合物来开发毒性较小的药物的机会。自我更新的肝细胞类器官培养物可用于测试潜在新药的肝毒性（临床试验中药物失败的原因之一）。在该实施例中，药物B似乎最适合于治疗患者，因为它特异性杀死肿瘤类器官并且不引起肝毒性。
（2）根据目前的研究进展，建立了活体类器官“生物银行”。其中，肿瘤来源的类器官在表型和基因上都与肿瘤的上皮相似。另外，肿瘤类类器官生物库使生理学相关的药物筛选成为可能。活体类器官生物库可用于确定类器官是否对个体患者的药物反应，具有预测价值；
图8：从结直肠癌患者的健康组织和肿瘤组织中提取的三维有机组织培养物被用于高通量药物筛选，以确定可能促进个性化治疗的基因药物相关性
（3）类器官的培养和建立，可用于研究肿瘤生成过程中的突变过程，比如说，通过从同一肿瘤的不同区域培养无性繁殖的类细胞器，可以用来研究肿瘤内部的异质性。
图9：用于研究肿瘤发生的突变过程的类器官培养
来自不同健康器官的类器官的生长，然后对培养物进行全基因组测序，可以分析器官特异性突变谱。通过生长来自同一肿瘤不同区域的类器官，可以用于研究肿瘤内异质性。区域特异性突变谱可以通过类器官的全基因组测序来揭示。使用与上述相似的方法，可以利用类器官来研究特定化合物对健康细胞和肿瘤细胞突变谱的影响。图10：在有丝分裂细胞分裂过程中获得的癌症基因组的体细胞突变
癌症是由致病基因突变的逐渐积累引起的。因此，了解在组织稳态和肿瘤发生过程中活跃的突变过程是很重要的。
结语未来可期，征途漫长
随着类器官的相关研究不断取得进展，人们不免对它的前景产生了更多期待。不过，它也存在局限：
（1） 相较于癌症细胞系的培养，类器官的体外培养需要消耗更多的时间和资源；
（2）相较于人体正常组织器官的生理环境，类器官缺乏结缔组织，血管和免疫细胞的微环境；
（3） 在类器官的培养过程中，一些体外因素如小鼠来源的细胞外基质(ECM)替代物、胎牛血清等都可能会影响一些实验结果，比如药物筛选实验等；
（4）来自晚期癌症的类器官生长速度通常比来自正常上皮的类器官生长速度慢，这可能会导致肿瘤类器官过度生长通过混入正常上皮细胞来源的类器官。
未来，这些局限性是否能够实现突破，使得类器官发挥出更大的作用？让我们拭目以待。
Hans Clevers的报告现场