新手类器官学习：精读这篇，建立权威认知！

类器官=体外“迷你器官”，由干细胞自组织形成，长得像真实器官、功能也接近，用来代替动物做研究。

填补动物和人类之间的鸿沟，是研究发育、疾病、药物、再生医学的“人类迷你器官实验室”。

1.类器官是什么？

类器官：由干细胞（多能干细胞PSC或组织干细胞TSC）自组织形成的3D迷你器官，有真实器官的细胞类型、结构、部分功能。

2..两类类器官

①TSC类器官（组织干细胞来源）：来自人体成年/胎儿组织（如肠道、肝、胰腺）

优点：最像真实成人器官、长期稳定、能直接来自病人；

缺点：大多只有上皮细胞，结构简单、不成熟。

②PSC类器官（多能干细胞来源）：来自胚胎干细胞/诱导多能干细胞（iPSC）

优点：能做早期发育、结构更复杂、可生成心/脑/肾；

缺点：像胎儿器官、不能长期扩增、成熟度低。

3.类器官的构建

类器官可来源于原代组织中存在的组织干细胞（TSCs），或多能干细胞（PSCs）。构建组织干细胞来源类器官时，通过机械方法与酶消化相结合，将原代组织解离为单细胞与小片段。将所得的单细胞与小细胞团接种于基底膜基质中，1周至1个月后，类器官达到其完整大小。

多能干细胞来源类器官可从人类胚胎干细胞（hESCs）或诱导多能干细胞（iPSCs）生成。经山中因子（OSKM）重编程后，诱导多能干细胞可聚集形成拟胚体（EB），进而分化为包含三个胚层之一的细胞。在一个胚层分化后，生成目标器官的祖细胞并包埋于细胞外基质中，使其能够扩增并自组织形成三维结构，即类器官。在某些多能干细胞来源类器官的构建方案中，聚集步骤发生在胚层特化之后（如上标"a"所示）。

1.细胞类型不全（最大痛点）

肠道类器官：缺M细胞、免疫细胞；

胰腺类器官：只有导管细胞，缺腺泡、胰岛细胞；

肝脏类器官：肝细胞、胆管细胞不能同时存在；

总结：大多只有上皮细胞，没有血管、免疫、神经、基质细胞。

2.成熟度不够，停留在“胎儿/未成熟状态”

TSC类器官像胎儿器官，不是成熟成人器官；

细胞功能弱：酶活性、代谢、激素分泌达不到成人水平；

长期培养会“过度增殖、不分化”。

3.结构简单，没有真实器官的复杂架构

没有血管网络、完整腺体、分层结构、梯度信号；是空心小球/囊泡，不是真实器官的复杂组织。

4.批次差异大、不稳定

不同人、不同组织、不同批次差异很大；大小、形态、细胞比例都不一致，难标准化。

5.临床转化难

依赖动物来源基质胶（Matrigel），不能直接用于人；缺乏GMP级培养方案；供体差异影响结果，难统一标准。

从“只有上皮的空心球”→“有多种细胞、复杂结构、真实功能的迷你器官”。

1.增加细胞类型（4种方法）

①基因编辑（CRISPR）：过表达关键转录因子，诱导缺失细胞

例：肠道类器官+NEUROG3→长出肠内分泌细胞；

例：胰腺类器官+Ngn3/Pdx1/MafA→长出胰岛β细胞。

②优化培养基（模拟体内信号）：加WNT/BMP/IGF/FGF2/IL-22等信号分子；

例：肠道类器官+IGF/FGF2→长出潘氏细胞、肠内分泌细胞。

③组装体（assembloids）——超级重点！把多种类器官或不同细胞拼在一起，自组织成复杂结构

例：肝类器官+肝细胞+胆管细胞+基质细胞→肝门周结构；

例：多器官组装体→肝胆胰联合器官。

④共培养（加非上皮细胞）：加免疫细胞、成纤维细胞、血管内皮细胞、神经元

例：肠道类器官+巨噬细胞→模拟肠道炎症；

例：肿瘤类器官+免疫细胞→模拟肿瘤微环境。

2.提升结构复杂度（3种工程技术）

①器官芯片（Organ-on-a-chip）：微流控通道，模拟体内流体流动、机械拉伸、浓度梯度

效果：长出绒毛、隐窝、肺泡样结构；

优点：长期培养不分裂、细胞成熟、功能更强。

②生物打印（3Dbioprinting）：把类器官/细胞“打印”成精确三维结构

例：打印肠道管状结构→有自组织隐窝；

优点：形状可控、批量标准化。

③水凝胶模具+支架：用胶原/水凝胶做器官形状模具；引导类器官长出天然结构（如肠道绒毛）。

3.模拟体内物理微环境

基质硬度：模拟不同器官软硬，影响干细胞分化；

机械拉伸：模拟呼吸、心跳、肠道蠕动，促进成熟；

气液界面：模拟肺表面，促进肺泡细胞成熟。

4.提升类器官复杂性的策略

从多能干细胞（PSCs）或组织特异性干细胞（TSCs）来源的第一代类器官开始，可通过四种主要策略提升复杂性：上皮细胞复杂性（a部分）、非上皮细胞复杂性（b部分）、结构（架构）复杂性（c部分），以及物理与非细胞环境线索（d部分）。

a：通过基因组工程、培养基修饰或干细胞潜能调控实现上皮细胞复杂性，生成多谱系类器官，下方展示了两个例子。图像代表模拟心房、左心室（LV）与右心室（RV）的多能干细胞来源心脏类器官（左图与中图；比例尺，200μm），以及包含CHGA+（红色）、INS+（绿色）与SST+（品红色）细胞的组织干细胞来源人类胎儿胰腺类器官。

b：通过向类器官中添加非上皮细胞、细菌或免疫细胞形成共培养物（可在同一细胞外基质中或Transwell格式中），引入非上皮细胞复杂性。上皮与非上皮复杂性均可通过组装多种类器官类型或特定细胞类型形成组装体来提升。图像代表小鼠肝脏组装体，PDGFRα–H2B–GFP标记门脉成纤维细胞核（绿色），核tdTom标记导管细胞核（品红色），肝细胞核显示为蓝色，鬼笔环肽染色显示细胞骨架（白色）。

c：通过生物打印、水凝胶模具或脱细胞支架生成2.5维类组织结构，实现结构复杂性。下方图像代表用于形状引导的定制微流控芯片（左图），以及在带有激光雕刻管状支架的微流控芯片上培养的组织干细胞来源人类成人肠道类器官（右图）。细胞染色显示E-钙黏蛋白（E-cad）与醛缩酶B（AldoB）。

d：通过器官/类器官芯片平台提供的流体流动、机械拉伸、基质硬度或可溶性梯度，传递物理与非细胞环境线索。图像展示了一个微流控芯片的例子。

总结:通过基因编辑+培养基优化+组装体+芯片/打印+物理微环境，把简单类器官升级成更接近真实器官的“下一代类器官”。

用类器官模拟人类疾病，直接用病人细胞，最真实、不用动物。

1.单基因遗传病（简单好做）：

囊性纤维化：CFTR基因突变肠道类器官

罕见腹泻：DGAT1突变肠道类器官

脂肪肝：脂代谢突变肝细胞类器官

多囊肾：肾小管类器官

方法：病人组织直接做类器官+CRISPR修正基因

2.肿瘤模型（最常用、最重要）

①直接做病人肿瘤类器官（PDO）：取病人肿瘤组织→做3D类器官

特点：保留病人肿瘤全部突变、异质性、真实耐药性；

用途：个性化药敏测试、预测化疗效果、筛选新药。

②基因编辑造肿瘤（CRISPR）

正常肠道类器官→敲除APC→早期肠癌；

再加RNF43/TP53/KRAS突变→进展期肠癌；

胰腺类器官→KRAS+TP53→胰腺癌。

③肿瘤微环境模型（共培养）：肿瘤类器官+免疫细胞、成纤维细胞、血管细胞

模拟：免疫逃逸、耐药、肿瘤转移

3.炎症疾病

炎症性肠病（IBD）：肠道类器官+免疫细胞+炎症因子；

肝炎：肝细胞类器官+免疫细胞；

肺炎：肺类器官+炎症细胞。

4.感染性疾病

病毒：新冠、寨卡、肝炎病毒感染类器官；

细菌：艰难梭菌、幽门螺杆菌感染肠道类器官；

5.类器官中的基因组工程

总结:遗传病：基因编辑修正；肿瘤：病人类器官+基因编辑；炎症/感染：共培养+刺激因子。

体外培养器官细胞→移植到体内→修复损伤器官

1.体外再生机制研究

肠道损伤：IL-22、YAP信号促进干细胞增殖修复

肝脏损伤：YAP、Notch参与再生

肺损伤：Notch、Fosl2介导细胞转化修复

2.体内移植修复（已在动物成功，走向临床）

①肠道修复（短肠综合征）：移植回肠类器官→吸收营养、改善衰竭；

②肝脏修复（肝损伤）：移植肝细胞类器官→修复肝功能；

③胰腺修复（糖尿病）：移植胰岛类器官→分泌胰岛素、降血糖；

④唾液腺修复（已临床！）放疗口干：移植自体唾液腺类器官→恢复唾液分泌（全球首例）。

3.再生医学挑战

类器官太小、不够大，难修复大面积损伤；

移植后血管难长入、营养不足、易坏死；

需生物打印、组装体做大块组织。

总结：类器官能研究再生机制，也能移植修复肠道、肝、胰腺、唾液腺，部分已进入临床。

解决动物和人差异，降低临床试验失败率，实现精准用药。

1.药物靶点发现：用疾病类器官筛基因/信号通路→找到新药靶点

2.高通量药物筛选

病人肿瘤类器官+上千种药物→快速找有效药；

药物重定位：FDA老药筛新用途（如老抗癌药治胰腺癌）。

3.个性化用药

病人肿瘤类器官→测试不同化疗药、组合药；

预测：哪种药有效、哪种耐药，精准指导临床。

4.毒性测试

肝毒性：肝细胞类器官测药物肝损伤；

肾毒性：肾小管类器官测肾损伤；

肠毒性：肠道类器官测吸收/代谢毒性。

5.免疫治疗测试

CAR-T/免疫检查点药物+肿瘤-免疫共培养类器官；

预测：疗效、脱靶毒性（动物测不出的毒性）。

6.类器官技术在药物发现与开发流程中的应用

药物发现与开发流程包括几个连续阶段：靶点识别与验证、苗头与先导化合物发现、先导化合物优化、临床前测试与临床试验（Ⅰ-Ⅲ期），最终获得监管批准并进行上市后监测。

类器官模型可在每个阶段发挥重要作用：在靶点验证阶段作为疾病模型，在苗头识别阶段作为筛选平台，在先导化合物优化与临床前测试阶段作为毒性与疗效读数，最后作为患者来源工具预测临床反应并支持精准医疗方法。