《Precision Medicine and Engineering》：Development of Organoids for Drug Research and Tissue Regeneration
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一系列的体外（in vitro）模型，例如二维（2D）培养系统、三维（3D）生物打印组织和3D微流控培养，已被用于模拟人类疾病和发育。然而，这些模型均未能真正模拟体内（in vivo）场景，这严重阻碍了药物研究和组织再生策略的发展。3D培养技术的最新进展揭示了
一系列的体外（in vitro）模型，例如二维（2D）培养系统、三维（3D）生物打印组织和3D微流控培养，已被用于模拟人类疾病和发育。然而，这些模型均未能真正模拟体内（in vivo）场景，这严重阻碍了药物研究和组织再生策略的发展。3D培养技术的最新进展揭示了干细胞非凡的自组装特性，由此产生的类器官（organoids）最大程度地展现了器官的关键结构和功能特征。因此，类器官技术可用于“在培养皿中”模拟器官发育和各种病理过程。在本综述中，研究人员调查了构建类器官的流程，并全面讨论了近年来类器官作为药物研究模型和组织再生模块的发展。还讨论了现有类器官的局限性以及类器官研究的未来展望。
2. 类器官的体外构建
类器官是多种细胞在体外自组装形成的三维（3D）组织结构，具有与原器官相似的结构和功能。起始细胞通常来源于常驻祖细胞（如成体干细胞、原代组织细胞、癌症干细胞）或诱导多能干细胞（iPSCs）。例如，Lgr5
+胆管细胞通过两步培养（增殖阶段和分化阶段）可生成肝类器官，其中小鼠肝类器官可扩增超过1年，人肝类器官约3个月。iPSCs通过模拟胚胎发育的多步分化过程，可生成肝、脑、心等类器官，为难以获取的器官（如脑）提供模型。构建方法包括无支架策略（依赖细胞自组织）和有支架策略（引导细胞命运）。Matrigel是广泛使用的天然基质，但存在批次差异和免疫原性风险；合成水凝胶作为替代方案，具有组分明确、可调力学性能等优势。人工智能（AI）可加速设计细胞外基质（ECM）模拟材料，如筛选自组装肽。培养体系中必需添加生长因子（如R-spondins、Wnt-3a）、细胞因子（如Noggin）、抑制剂（如ROCK抑制剂、TGF-β抑制剂）、营养补充剂（如B-27、N2）及抗生素等。
3. 类器官用于药物研究
3.1 癌症治疗中的类器官
3.1.1 抗癌药物筛选
肿瘤类器官重现原发肿瘤的遗传和表型异质性，适用于临床前药物筛选和个体化治疗预测。已建立生物信息学类器官库，如144例原发性肝癌（PLC）类器官库，用于高通量药物反应筛选。通过类器官筛选，发现索拉非尼对某些胆管癌有治疗潜力，伊芬普地尔可作为索拉非尼的辅助药物。定量分析技术如高内涵成像和荧光标记化合物结合共聚焦显微镜，为药物筛选结果提供机制基础。
3.1.2 模拟肿瘤异质性
患者来源类器官（PDOs）可保留肿瘤不同阶段的病理特征和异质性。例如，通过转录组织化学分析结直肠癌（CRC）不同阶段的类器官，发现基因突变率增加导致新突变特征和异质性增加。结合CRISPR基因编辑，在正常类器官中引入突变可建立癌症进展模型，如结直肠癌进展模型（引入AXIN1、TP53等突变），以及通过引入BRAF
V600E突变建立锯齿状结肠癌模型，证明TGF-β信号促进其向间充质亚型转化。
3.1.3 免疫治疗
自体肿瘤类器官与患者外周血淋巴细胞共培养，可富集肿瘤反应性T细胞。这些T细胞不攻击正常组织，可能具有抗肿瘤效果，为免疫治疗提供研究平台。
3.1.4 肿瘤-微生物互作
肠道类器官共培养系统用于研究宿主-微生物互作。例如，与产基因毒性大肠杆菌（包括益生菌E. coli Nissle 1917）共培养，可鉴定特定突变特征，将某些大肠杆菌菌株与约12%的结直肠癌（CRC）病例相关联。
3.2 非癌症药物发现中的类器官
类器官用于多种非恶性疾病的研究。例如，囊性纤维化（CF）患者来源类器官用于评估CFTR调节剂（如VX-770、VX-809）的疗效；肝类器官用于药物性肝损伤（DILI）毒性筛查；唾液腺类器官结合微流控芯片模型模拟辐射损伤，发现辐射防护化合物；皮质类器官用于抗寨卡病毒药物筛选，证明25-羟基胆固醇和杜拉霉素可减少病毒复制。
4. 类器官用于组织再生
4.1 干细胞特性研究
类器官技术用于研究干细胞特性，如利用人诱导多能干细胞（iPSCs）诱导为小肠类器官，模拟小肠发育，证明转录因子NeuroG3对肠内分泌细胞发育至关重要。Clevers等发现BMP-Hox通路调控结肠发育，短暂激活BMP信号可促进iPSCs发育为结肠类器官。
4.2 器官发生研究
类器官模拟器官形成过程。人胃类器官通过前肠定型、管腔形成等阶段，转录谱与胚胎胃组织高度相似。肺类器官包含中胚层和内胚层成分，形成分支气道结构，其分支复杂度等同于妊娠中期胚胎肺。脑类器官重现大脑区域复杂性，形成多种细胞（如大脑皮层和视网膜细胞），可长期培养（超过1年）建立成熟特征，包括树突棘和自发神经活动；光刺激可控制神经活动，用于检测神经回路功能。
4.3 组织再生应用
4.3.1 细胞治疗
人肝细胞类器官（HHOs）通过异种移植验证了体内再生功能性肝组织的能力，具有基因编辑能力、长期扩增和成熟代谢功能。iPSC来源类器官移植改善药物诱导急性肝损伤小鼠的存活率和存活时间。iPSC-血管整合肝类器官（BVLO）移植可再生人胆管上皮。
4.3.2 基因治疗
CRISPR-Cas9结合同源重组修复囊性纤维化（CF）患者肠道类器官的CFTR基因。胰岛类器官移植后增加胰岛素表达，改善糖尿病小鼠高血糖。视网膜类器官通过基因编辑校正色素性视网膜炎类器官的突变基因，修复光感受器结构和电生理功能。
4.3.3 肠道再生
人iPSC来源小肠类器官（HIOs）移植加速DSS诱导溃疡性结肠炎（UC）小鼠的黏膜修复和上皮再生。与神经祖细胞共培养可构建含神经系统的肠道类器官，移植后6-10周出现血管化，形成含有神经元和胶质细胞的成熟肠组织，并控制肠道蠕动。
4.3.4 肝脏再生
多细胞肝类器官（含肝细胞、胆管细胞、星状细胞和库普弗细胞）比单细胞模型更接近肝脏生理状态，具有白蛋白分泌、药物代谢酶活性等功能。移植含脐带来源内皮细胞、间充质细胞和iPSC的肝类器官可改善急性肝衰竭小鼠的肝功能和存活率。胆管类器官移植后，在免疫缺陷小鼠中形成管状结构，表达胆管细胞标志物；在人体常温灌注（NMP）系统中，移植后胆管系统再生率约40-85%。
4.3.5 口腔颌面组织再生
牙胚类器官由牙上皮和间充质细胞共培养形成，可发育为生物工程牙，包含完整釉质、牙本质、牙髓和牙根。唾液腺类器官通过FGF10诱导人下颌下腺上皮干细胞/祖细胞（hSMGepiS/PCs）生成，具有液体分泌能力。基质金属蛋白酶（MMP）可降解水凝胶模拟动态ECM，促进细胞极性和Wnt/PCP通路激活。磁引导3D生物打印可构建神经支配的唾液腺类器官。
4.3.6 毛囊再生
APA水凝胶微胶囊包裹真皮乳头细胞（DPCs）恢复其毛囊诱导能力，上调DP特征基因（SOX2、ALPL等）和Wnt/BMP通路基因，移植后形成新毛囊。人真皮成纤维细胞（hDFs）经APA诱导转化为DPC样细胞（hDF-DPCs），在分子水平与原始DPCs相当，可诱导毛囊形成和色素沉着。
4.4 多器官芯片
多器官芯片（人体芯片）整合多种细胞构建体外多组织。例如，神经血管类器官融合后，血管类器官中的血管可能渗入脑类器官；移植到免疫缺陷小鼠后，血管与宿主循环系统连接，提供血液供应。
5. 挑战、伦理考量与未来展望
5.1 当前局限与技术前景
当前类器官系统面临核心瓶颈：缺乏有效血管化，导致大型类器官营养和氧气供应不足；神经整合不足，如含肠神经系统的类器官难以重现关键标志物表达；无法准确模拟免疫微环境、多种细胞类型和ECM。3D生物打印和微流控芯片共培养技术是解决这些问题的前沿方向，有望提高类器官的保真度和功能性。
5.2 伦理考量与监管前沿
类器官技术涉及伦理问题：干细胞来源（如iPSCs和成体干细胞规避了胚胎干细胞伦理问题，但涉及捐赠者同意和基因隐私）；类器官日益复杂化，可能表现出类似人类器官的特征（如神经活动或潜在感知能力），引发关于意识、道德地位和研究限度的伦理问题。亟需建立科学、合理、国际统一的监管框架，包括类器官培养标准化、药物敏感性测试（DST）验证、结果解释一致性以及伦理监督。国际协作和共识对于促进类器官技术的跨境应用和数据共享至关重要。
6. 结论
类器官技术是生物医学研究中的变革性平台，为体外模拟人类发育、疾病和再生提供了前所未有的机会。通过忠实再现原生组织的关键结构和功能特征，类器官在药物筛选、疾病建模和个体化医疗中已展现出显著价值。然而，血管化、神经整合和免疫重建等挑战仍然存在。通过生物工程、人工智能和伦理治理的持续创新，类器官系统有望变得更加生理相关和临床适用。最终，类器官有潜力革新治疗开发和再生策略，为精准医学的新时代铺平道路。
