在前两期，我们系统梳理了肝纤维化与 IBD 动物模型选型、病理评估及分子指标体系。但传统动物模型存在种属差异、周期长、难以完整复刻人类疾病微环境等短板，单一分子检测也无法充分解析复杂调控网络。

伴随类器官、器官芯片等新型替代方法（NAMs）与多组学技术快速发展，消化疾病研究正由单一动物实验，转向人源化模型结合系统生物学分析的全新范式。

本期围绕类器官与多组学两大技术，阐述其在肝纤维化、IBD 中的应用场景、技术进展及联用策略，为疾病机制探索与药物研发提供思路。

类器官被称为“试管里的微型器官”，通常通过干细胞定向分化或患者来源组织培养，在体外形成具有一定三维结构、细胞组成和功能特征的组织模型。

相比传统二维细胞培养，类器官能够在一定程度上提高疾病模型的人源化程度，为疾病机制研究、药物筛选和个体化研究提供新的实验平台。

近年来，FDA等监管机构持续关注NAMs在药物研发中的应用价值，类器官等人源化模型正在逐步从基础研究工具向药物研发辅助评价体系发展。

传统 2D 平面细胞培养与 3D 类器官培养体系对比

1. 肝脏类器官：提高纤维化研究的人源化水平

肝纤维化的核心过程包括肝星状细胞（HSC）活化和细胞外基质（ECM）异常沉积。传统动物模型能够模拟部分纤维化过程，但由于种属差异，在代谢通路、免疫微环境等方面与人类疾病仍存在一定区别。

肝脏类器官技术为研究人源化纤维化机制提供了新的研究路径。

人肝类器官免疫荧光标志物染色

当前核心技术进展：

① 多细胞共培养纤维化模型：整合人源肝细胞、肝星状细胞和免疫细胞等多种细胞类型，可在体外维持一定肝脏功能特征，并通过损伤刺激诱导纤维化相关表型变化，观察COL1A1、α-SMA等标志物改变，用于评价候选药物对纤维化相关过程的调控作用。

② 疾病特异性建模：利用iPSC诱导肝脏类器官，可用于研究遗传性肝病相关表型，也可结合病毒感染模型分析感染、炎症与纤维化过程中的关键变化。

③ 汇管区类组装体：通过整合肝细胞、胆管细胞和成纤维相关细胞，可进一步模拟胆汁淤积相关肝损伤过程，为胆汁淤积型纤维化研究提供新的模型选择。

核心应用场景：

·抗纤维化候选化合物筛选；

·人源化靶点验证；

·药物肝毒性（DILI）评价； 

·患者来源类器官个体化药效研究。

2. 肠道类器官：IBD研究的人源化研究平台

IBD的发生发展涉及肠道上皮屏障、免疫细胞和肠道菌群之间的复杂互作。传统细胞模型难以完整呈现肠道结构，而动物模型在人源免疫和菌群互作方面也存在一定差异。

肠道类器官为研究IBD发病机制、筛选候选治疗方案提供了新的研究工具。

人肠道类器官三维共聚焦高分辨成像

当前核心技术进展：

① 患者来源IBD类器官：利用UC/CD患者活检组织建立结肠类器官，可在部分程度上保留患者来源组织特征，观察黏膜屏障功能变化、杯状细胞变化等疾病相关表型，并用于评价药物对上皮屏障的保护作用。

② 菌群-类器官共培养体系：通过将特定菌株或菌群引入类器官体系，可用于研究宿主上皮与微生物之间的相互作用，解析特定微生物对肠屏障和炎症反应的影响。

③ 免疫-上皮互作模型：整合T细胞、巨噬细胞等免疫细胞的共培养体系，可用于模拟免疫细胞介导的上皮损伤过程，评价免疫靶向药物的作用机制。

3. 最优策略：类器官与动物模型的组合验证

类器官目前仍不能完全替代动物实验，由于缺乏完整的循环系统、免疫系统、神经内分泌调控以及器官间相互作用环境，类器官更适合作为疾病机制研究、候选药物筛选和靶点验证的补充模型。

目前较为常见的研发路径包括：

① 初筛阶段：利用类器官平台开展候选化合物筛选，快速评价药物对疾病相关表型的影响，筛选具有潜力的候选分子。

② 验证阶段：结合对应动物模型，进一步评价药物在体内环境中的药效、安全性及药代动力学特征。

③ 机制阶段：结合类器官、动物模型以及分子检测结果，对关键靶点和作用通路进行交叉验证。

“类器官筛选 + 动物模型验证”的组合模式，可以发挥两类模型的优势，提高研究效率，并增强实验结果的解释力。

如果说类器官提升了疾病模型的人源化程度，多组学则拓展了研究者对疾病分子网络的解析能力。

从单一基因、蛋白检测，到转录组、蛋白组、代谢组和微生物组等多维度分析，多组学技术能够帮助研究者发现疾病相关分子变化、潜在调控通路以及候选治疗靶点。

1. 转录组 + 蛋白组：解析疾病相关调控通路

转录组和蛋白组是消化疾病研究中应用较成熟的组学技术，可分别从基因表达和蛋白水平分析疾病状态下的分子变化。

典型应用场景：

① 肝纤维化机制解析：通过比较正常组织与纤维化组织的转录组差异，筛选与纤维化相关的候选基因和信号通路，并结合蛋白组检测进一步验证关键蛋白变化，如TGF-β/Smad等相关通路。

② IBD炎症分型研究：利用转录组分析不同IBD患者或模型中的分子特征差异，识别与疾病状态相关的炎症通路，为疾病分型和精准治疗研究提供参考。

③ 药效机制分析：通过比较给药前后组织或细胞的组学变化，分析药物影响的分子网络，筛选潜在作用靶点和相关通路。

2. 代谢组 + 微生物组：解析肠-肝轴调控关系

肠-肝轴是当前消化疾病研究的重要方向之一。肠道菌群变化及其代谢产物可通过肠屏障和门静脉循环影响肝脏炎症、代谢和纤维化过程，而肝脏疾病状态也可能进一步影响肠道微生态。

代谢组与微生物组联合分析，为解析菌群变化与宿主疾病表型之间的联系提供了重要工具。

前沿研究方向：

① 菌群代谢物调控肝纤维化：部分研究发现，肠道菌群来源代谢物可能通过影响肝星状细胞活化、炎症反应等过程参与纤维化调控，为靶向菌群-代谢轴的治疗策略提供研究依据。

② MASH相关菌群机制研究：研究发现，部分异常菌群及其代谢产物可能参与肠屏障损伤和肝脏炎症调控，多组学分析可用于探索其中的关联机制。

③ IBD菌群特征分析：微生物组结合代谢组可用于分析IBD患者或模型中的菌群组成和代谢谱变化，为疾病分型、机制研究及菌群干预策略评价提供参考。

肠 - 肝轴菌群失调介导肝脏损伤的机制示意图

3. 多组学联合：构建系统化研究证据链

单一组学通常只能反映疾病状态下某一层面的变化，而多组学联合分析能够从基因、蛋白、代谢和微生物等多个层面整合数据，帮助研究者进一步解析疾病发生发展的潜在机制。

消化疾病常用联合分析策略：

① 转录组 + 蛋白组：用于分析基因表达与蛋白变化的一致性，筛选关键功能分子。

② 微生物组 + 代谢组：用于关联菌群组成变化与代谢产物变化，解析菌群功能影响。

③ 单细胞组学 + 空间转录组：用于定位不同细胞亚群的表达特征及空间分布，分析细胞间相互作用。

类器官和多组学技术为消化疾病研究提供了新的研究工具，但不同技术均存在应用边界。合理选择技术组合，才能获得更可靠的研究结果。

类器官的主要局限：

① 缺乏完整体内微环境：目前多数类器官体系仍无法完全模拟循环系统、免疫系统、神经内分泌调控以及器官间相互作用。

② 培养成本和通量限制：长期培养成本较高，大规模药物筛选仍需要进一步优化实验体系。

③ 标准化程度仍需提升：不同来源组织、培养条件和实验流程可能影响模型稳定性和结果重复性。

多组学的主要局限：

① 数据分析要求较高：组学数据量大，需要结合专业生物信息分析流程筛选具有生物学意义的变化。

② 相关性需要进一步验证：组学结果通常反映关联变化，需要结合基因编辑、功能实验或动物模型进一步验证因果关系。

③ 成本需要合理规划：不同组学技术适用于不同研究问题，应根据研究目标选择合适组合。

1. 常规药效评价研究：

优先建立“动物模型 + 病理评价 + 核心分子验证”的基础体系，再根据研究需求补充类器官或组学技术。

2. 机制研究和高水平论文研究：

可采用“动物模型 + 多组学筛选 + 类器官验证”的组合策略，从表型变化进一步解析作用机制。

3. 新药研发项目：
可采用“类器官筛选 → 动物模型验证 → 多组学机制解析”的研究路径，提高候选药物筛选和机制研究效率。

消化疾病研究正在从传统单一模型验证，逐步向多维度、人源化和系统化研究模式发展。

类器官技术提高了疾病模型的人源化程度，为机制研究和药物筛选提供新的实验平台；多组学技术则帮助研究者从系统层面解析疾病调控网络。

在实际研究中，前沿技术并不是对传统动物模型的替代，而是与动物实验、病理评价和分子验证形成互补。通过合理组合不同研究工具，可以建立更加完整的疾病研究和药物评价体系。