国自然还未放榜，2023年动员已开始！“国自然中标热点”类器官的4大研究模型已准备好！

在之前的推送中，我们介绍了国自然的“十大热点领域”，今天我们详细介绍一下其中的热点问题“干细胞”。干细胞在国自然申请中一直是热点话题，被列入“十四五”国家重点研发计划之一。近年来，干细胞领域中的类器官模型在各个领域中大放异彩，类器官相关的文章也是日益剧增（图1），同样，类器官也被列入“十四五国家重点研发计划”中的首批重点专项任务（图2）。因此，类器官也成为干细胞领域在国自然申请中的大热门。

图1. “类器官”文献检索情况（2000年-2022年）

图2. “类器官”在“十四五国家重点研发计划”

类器官在文章发表和国自然申请中占据这么大的优势，那类器官究竟是什么呢？

类器官是一种利用成体干细胞或多能干细胞进行体外三维（3D）培养而形成的具有一定空间结构的组织类似物，能在结构和功能上模拟真实器官，能够最大程度地模拟体内组织结构及功能并能够长期稳定传代培养。

类器官在众多领域中具有重要作用，那对我们广大研究者来说，如何构建出类器官才是我们的第一步。

1. 类器官的构建

如图3所示，类器官的构建主要以成体干细胞构建为主，即使用器官组织进行干细胞分离，然后进行3D培养。（1）获取组织，并做好组织的运输（使用培养基进行运输，并保持低温）；（2）组织机械剪碎，使用无菌剪刀剪碎组织，使得每一块直径小于2mm；（3）酶解，这一步至关重要，一般使用胶原酶对组织块进行裂解，直到释放出细胞团；（4）过滤组织块，离心法获得成体干细胞；（5）使用基质胶或BME进行3D培养。

图3. 类器官的构建过程

2. 类器官在科研中的应用模式

模式1：肿瘤类器官的构建及鉴定

2016年-2018年，凭借“类器官构建”这一内容即可成功申请到国自然，并发表高分文章。如下所示，代表作1完美的阐述了这种研究的模式及方案：

图1.1. 类器官构建文章（原文链接：https://gut.bmj.com/content/68/2/207.long）

第一步：完成胃癌类器官构建，通过手术切除组织，类似于上述构建流程，成功构建出胃癌类器官，如图所示，描述出类器官构建流程，并对类器官构建拍出代表性图片（图1.2）。

图1.2. 类器官的构建

第二步：类器官的功能性鉴定，完成类器官构建后，需要对类器官进行鉴定，首先需要进行的是组织学鉴定，具体包括：HE组织形态鉴定、组织特异性抗原表达鉴定（图1.3）。

图1.3. 类器官的组织学鉴定

第三步：类器官功能鉴定，对于肿瘤类器官，研究者需考虑其对治疗药物的敏感性，本文中同时测量了类器官对化疗药物的敏感性（图1.4）。

图1.4. 类器官的功能性鉴定

加强版：此处如果可对照患者治疗方案，证明类器官可预测患者治疗敏感性，效果会更佳。

第四步：类器官基因组鉴定，完整鉴定方案中，同样需要类器官的基因组检测，即需要比较与原组织中的基因扩增、突变等内容（图1.5）。

图1.5. 类器官的基因组鉴定

基于上述内容，对于“类器官构建”类文章需按照构建-组织学鉴定-功能性鉴定-基因组鉴定的流程完成，当然，近年来科学研究已精益求精，所以在类器官构建的基础之上，还需要一些其他的内容。

模式2：类器官-个体化治疗

类器官已被认为是个体化治疗的利器，这个方向也同样受到高分文章和国自然的青睐，接下来我们通过今年发表于Nature communications的一篇文章进行学习。

图2.1. 类器官个体化治疗代表作（原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29857-6）

第一步：类器官的构建及组织学鉴定，具体内容同上，在构建胰腺癌类器官后完成对其的组织学鉴定（图2.1），这一步是基于“模式1”中的内容进行。

图2.2. 类器官的构建及组织学鉴定

第二步：结合类器官基因组特征进行个体化治疗预测，这一步和“模式1”中的有相似，但是在个体化治疗预测中，需要将类器官本身具有的预测能力和基因组的预测能力进行结合，这就会放大这种“组合模型”的预测效果，极大的提高文章的创新性。比如，可先分析某一种基因的异常扩增或突变与某种治疗方案的相关性，然后再使用类器官进行预测，两者相加，可极大的提高这种预测模型的准确度。如图2.3，这篇文章中就使用了染色质可及性作为预测模型之一，并同时对照临床患者随访结果进行对照（图2.4）。

图2.3.染色质可及性预测药物敏感性

图2.3. 类器官进行药物敏感性预测

加强版：这篇文章中只是将基因组和类器官分别用于敏感性预测，如果可将二者结合为一个模型，并评估是否提高了预测模型的准确度将会大幅提高文章创新性。

模式3：类器官-药物筛选

人源化类器官可极大的反应患者对于药物的敏感性，因此，近年来，类器官用于药物筛选已大势所趋，接下来我们通过一篇今年8月发表的高分文章进行学习。

图3.1.类器官药物筛选代表作（原文链接：https://jeccr.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13046-022-02436-9）

第一步：与以上内容类似，均为类器官的构建及鉴定；

第二步：使用类器官进行药物筛选，这种筛选需要体现到类器官作为体外模型的通量优势，可筛选多种药物，例如，这篇文章筛选了268种化合物用于治疗肝细胞肝癌类器官（图3.2）。

图3.2. 类器官药物筛选

第三步：筛选药物组合，在筛选出有效化合物后，需要进一步确定那种组合治疗效果最佳，这篇文章利用药物相互作用模型对这种效果进行评价，并筛选出最佳组合方案Ixazomib联合Dinaciclib（图3.3）。

图3.3.类器官药物组合筛选

第四步：体内验证，类器官筛选出最佳疗效的药物乃至药物组合后，需要进一步确定其治疗效果，此时最佳的模型为人源化肿瘤异种移植小鼠模型，也就是我们说的PDX，这篇文章同样使用PDX模型进行了药物治疗效果的对比和验证（图3.4）。

图3.4. PDX体内验证

模式4：基于类器官的新型模型

类器官在各个领域中已经展现出了巨大的潜力，但是仍然有所欠缺，比如说欠缺多器官协调能力，欠缺血管组分，欠缺免疫细胞组分等。因此，针对这些不足，对类器官进行完善从而建立一个更为完整的体系也成为了类器官研究的方向之一，比如以下思路：

1.新技术实现类器官与血管等组分的共培养（图4.1）

图4.1. 类器官组分共培养代表作（原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109823）

2.类器官与微流控芯片模型实现多器官系统协调（图4.2）

图4.2. 类器官微流控芯片代表作（原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-020-00803-5）

3.通过ipsc诱导目前未报道的类器官（图4.3）

图4.3. ipsc诱导类器官代表作（原文链接：https://www.nature.com/articles/s41587-022-01429-5）

参考文献：

1. Seidlitz T, Merker SR, Rothe A, et al. Human gastric cancer modelling using organoids. Gut. 2019 Feb;68(2):207-217. doi: 10.1136/gutjnl-2017-314549.

2. Shi X, Li Y, Yuan Q, et al. Integrated profiling of human pancreatic cancer organoids reveals chromatin accessibility features associated with drug sensitivity. Nat Commun. 2022 Apr 21;13(1):2169. doi: 10.1038/s41467-022-29857-6.

3. Lim JJ, Hooi L, Dan YY, et al. Rational drug combination design in patient-derived avatars reveals effective inhibition of hepatocellular carcinoma with proteasome and CDK inhibitors. J Exp Clin Cancer Res. 2022 Aug 15;41(1):249. doi: 10.1186/s13046-022-02436-9.

4. Enrico A, Voulgaris D, Östmans R, et al. 3D Microvascularized Tissue Models by Laser-Based Cavitation Molding of Collagen. Adv Mater. 2022 Mar;34(11):e2109823. doi: 10.1002/adma.202109823.

5. Brassard JA, Nikolaev M, Hübscher T, et al. Recapitulating macro-scale tissue self-organization through organoid bioprinting. Nat Mater. 2021 Jan;20(1):22-29. doi: 10.1038/s41563-020-00803-5.

6. Shi M, McCracken KW, Patel AB, et al. Human ureteric bud organoids recapitulate branching morphogenesis and differentiate into functional collecting duct cell types. Nat Biotechnol. 2022 Aug 29. doi: 10.1038/s41587-022-01429-5.

撰文：TS

编辑：Catherine

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