基于类器官技术的眼组织建模：泪腺、角膜、晶状体与视网膜类器官的技术与应用综述

《Stem Cell Reports》：Modeling ocular tissues with organoids: A review of techniques and applications in lacrimal gland, cornea, lens, and retina organoid

眼部功能障碍构成全球重大健康负担，导致数百万人视力损伤甚至失明。许多累及不可再生眼组织的难治性病变因发病机制不清而难以治疗。眼部类器官为机制研究提供了生理相关的体外模型，并具有用于眼组织重建的转化潜力。本综述整合了从眼前段到后段的眼部类器官研究进展，评估了方法学创新、功能能力和局限性，探讨了生物工程三维构建体及器官芯片协同平台，并展望了它们在桥接基础研究与临床转化以应对难治性眼病中的作用。

一、研究背景与意义

眼部功能障碍是全球性的重大健康挑战，导致数以百万计的人口视力受损甚至失明。众多累及非再生性眼组织的难治性疾病，如干眼症（DES）、角膜营养不良、白内障、年龄相关性黄斑变性（AMD）、糖尿病视网膜病变（DR）及遗传性视网膜营养不良（如视网膜色素变性RP）等，其致病机制尚未完全阐明，且现有疗法多只能延缓病程，无法恢复生理性视觉功能。传统的二维细胞培养和动物模型存在固有局限：动物模型常无法重现人类特有的遗传与生理复杂性，例如啮齿类动物视网膜缺乏与人类相似的视锥细胞，限制了其在视锥细胞主导疾病（如AMD）研究中的应用；二维培养则无法模拟三维（3D）组织结构、细胞异质性和组织间相互作用。因此，亟需更具生理相关性的体外模型来深入探究发病机制并开发靶向疗法。

眼部类器官作为能够自我组织形成3D多细胞结构、再现天然组织结构和功能的模型，恰好填补了这一空白。它们不仅可用于发育生物学、疾病建模和再生医学研究，还能减少对动物模型的依赖，支持高通量药物筛选。其中，视网膜类器官（ROs）最早于2011年建立，标志着眼科学领域首个被验证的类器官模型的出现，此后角膜、晶状体和泪腺（LG）类器官也相继被成功开发。本综述旨在全面梳理从眼前段至后段的眼部类器官研究进展，评估其技术方法、功能能力及局限性，并展望其桥接基础研究与临床转化的前景。

二、关键技术方法概述

研究人员采用了多种关键技术来构建眼部类器官模型，主要包括以下几类：

1. 1.
   生物工程构建体：利用脱细胞支架（如猪小肠黏膜下层基质、兔LG细胞外基质支架）或磁珠辅助3D生物打印技术，将原代细胞（如LG腺泡细胞与间充质干细胞）共培养，使其自发组织成管泡状结构。
2. 2.
   组织/干细胞再生类器官：
   • •
     组织源性类器官：直接从人或鼠的LG组织中分离原代细胞，在Matrigel基质胶中培养，使其自主再分化并自组装成3D类器官。
   • •
     多能干细胞（PSC）源性类器官：利用诱导多能干细胞（iPSCs）或胚胎干细胞（ESCs），通过定向分化方案（如模拟胚胎发育的阶段特异性生长因子诱导法、自形成外胚层自主多区带SEAM平台）逐步诱导其分化为特定眼部类器官。
3. 3.
   器官芯片平台：结合微流控技术，在芯片上重建组织的生化和生物物理微环境，如模拟泪液流动、眨眼力学、眼内压变化及氧梯度等。

三、主要研究结果

泪腺类器官

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  生物工程LG构建体：通过3D共培养和脱细胞支架等技术，可构建出具有神经反应性和分泌泪液能力的工程化LG结构。
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  组织/干细胞再生LG类器官：从人/鼠LG组织分离的原代细胞能自组装成类器官，表达谱系标志物并在去甲肾上腺素刺激下分泌溶菌酶和乳铁蛋白。PSC来源的LG类器官能模拟胚胎分支形态发生，形成包含腺泡、导管和肌上皮细胞的极化结构，并具有组成性分泌泪液成分的能力。
• •
  比较分析：组织源性类器官操作简便、免疫排斥风险低，适合短期功能检测和替代治疗；PSC源性类器官更能模拟发育特征，支持长期培养和高保真疾病建模，但分化周期长，存在致瘤性风险。

角膜类器官

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  生物工程角膜与角膜芯片：纳米复合假体和组织工程角膜已进入临床试验，但存在感染风险。角膜芯片通过集成微流控和可移动“眼睑”模块，可模拟泪膜动力学和眨眼，用于干眼研究。
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  干细胞源性角膜类器官：通过全3D培养策略或2D/3D序贯培养策略（如SEAM平台），可从PSCs诱导产生具有三层（上皮、基质、内皮）甚至四层（含Bowman层或Descemet膜）结构的微型角膜。这些类器官已被用于研究先天性遗传性内皮营养不良和腺病毒性角膜炎的发病机制。

晶状体类器官

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  晶状体上皮细胞源性LBs：离体晶状体上皮细胞在特定生长因子刺激下可形成透镜体（LBs），即最早的晶状体类器官原型，但透明度欠佳。
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  转录因子介导的LBs：过表达Pax6和/或Six3基因可高效诱导LBs形成，但细胞群相对均一，缺乏完整的晶状体囊结构。
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  PSC阶段诱导的LBs：采用模拟胚胎晶状体发育的三阶段方案，可产生更大、更透明且表达α-、β-、γ-晶状体蛋白的LBs。通过ROR1细胞分选技术可提高形态均一性，但尺寸较小。

视网膜类器官

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  生物工程3D视网膜：利用半透膜、支架或3D生物打印技术，可人工组装多层视网膜细胞，用于模拟外层血-视网膜屏障（oBRB）和糖尿病性视网膜微血管病变。
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  干细胞源性ROs：自2011年首次建立以来，已发展出多种优化方案，包括SFEBq 3D培养、3D-2D-3D序贯培养、2D-3D培养和上皮化囊肿3D法等。这些方案可产生包含几乎所有神经视网膜（NR）细胞类型（感光细胞、水平细胞、Müller细胞、双极细胞、无长突细胞）的分层结构，但普遍存在RPE排列紊乱、RGC进行性丢失及缺乏功能性血管网络等问题。
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  前沿整合应用：研究人员通过组织工程（如支架引导感光细胞单层排列）、共培养体系（如与RPE、脉络膜内皮细胞、小胶质细胞共培养）以及类器官芯片技术，显著提升了ROs的结构成熟度和生理逼真度。例如，血管化ROs和脑-视网膜类器官的成功构建，为研究眼-脑互作和神经炎症机制提供了新平台。

四、总结与展望

本综述系统总结了从泪腺到视网膜的所有主要眼部结构的类器官模型研究进展。尽管取得了显著成就，但当前眼部类器官仍面临诸多挑战：结构成熟度不足、细胞多样性不够、缺乏整合的神经、血管和免疫网络，以及批次间异质性高、缺乏统一的功能评价标准等。这些缺陷限制了其生理真实性和临床转化潜力。

展望未来，类器官芯片平台和多器官整合系统（如神经回路模型、脑-肠-微生物组系统）为解决上述问题提供了有希望的途径。通过持续的多学科交叉创新，眼部类器官技术有望加速针对目前难治性眼病的治疗突破，最终推动实现部分乃至全眼重建的再生医学策略，从而减轻全球视力丧失的负担。