《In vitro models》：Three-dimensional organoid and organ-on-chip models for studying human viral infections: applications across respiratory, hepatotropic, enteric, cardiac, and neurotropic virus research
传统的二维细胞系和动物模型在研究人类病毒感染方面均存在公认的局限性：单层培养物缺乏组织水平的架构和细胞异质性，而物种间在受体表达和免疫生理学上的差异限制了动物数据向人类疾病的可转化性。包括气液界面（ALI）Transwell培养、成体干细胞和多能干细胞来源的类器官，以及微流控器官芯片平台在内的三维体外模型，已成为更具生理相关性的替代方案，能够更好地重现人类组织架构、细胞多样性以及宿主-病原体相互作用。本综述考察了这些三维平台在人类病毒发病机制六个领域中的应用：呼吸道病毒（流感病毒、SARS-CoV-2、鼻病毒、呼吸道合胞病毒）研究采用ALI气道培养、气道/肺/鼻类器官及肺泡-毛细血管器官芯片系统；嗜肝病毒（乙型和丙型肝炎病毒）研究采用灌注式微流控肝脏培养及能够支持完整病毒复制周期的患者来源肝脏类器官；肠道病毒（轮状病毒、诺如病毒、柯萨奇病毒）研究采用人肠道类器官（enteroids）和肠芯片系统；出血热病毒（埃博拉病毒、拉沙病毒）研究采用微血管芯片平台；心脏嗜性SARS-CoV-2感染研究采用工程化心脏组织；以及嗜神经TORCH病毒（弓形虫、其他病原体、风疹病毒、巨细胞病毒、单纯疱疹病毒——此处以寨卡病毒和单纯疱疹病毒1型为代表）研究采用人脑类器官，该类器官能够重现病毒诱导的小头畸形表型。研究人员比较了二十一个代表性平台的架构、定量性能、优势和局限性，将六类平台置于生理相关性与通量坐标图中，总结了在抗病毒药物筛选中的已证实应用（包括基于芯片识别阿莫地喹和甲磺酸萘莫司他的药物再利用候选分子，以及一个具有临床重要意义的羟氯喹假阳性结果），并进一步讨论了供体变异、跨实验室标准化、通量和免疫细胞整合等转化挑战——这些因素目前限制了这些模型在临床前病毒学和药物发现管线中的更广泛采用。
引言
在体外模拟人类病毒感染历来依赖两种互补但并不完美的方法：永生化二维（2D）细胞系和小动物模型。两者均具有公认的局限性。单层细胞系缺乏极性架构、细胞异质性以及组织水平的物理线索（黏液产生、纤毛摆动、机械牵张、血管灌注），而这些因素决定了病毒在人类器官中实际建立感染的方式。与此同时，动物模型在受体表达、先天性和适应性免疫生理学以及组织架构方面与人类存在差异，常常限制感染动力学、病理学和候选治疗药物疗效的可转化性，此外还成本高昂、耗时，并受到显著的伦理和法规约束。近期一项关于器官芯片方法在感染性疾病研究中应用的系统性综述已证实，该类平台现已被应用于人类感染所涉及的几乎所有主要器官系统，从呼吸道到中枢神经系统。另外两篇更广泛的综述进一步绘制了类器官和类器官芯片在其他生理系统（包括消化、心血管、皮肤、泌尿、生殖和淋巴系统）以及病毒、细菌、真菌和寄生虫病原体中的应用图谱。本综述与上述广泛综述在范围和侧重点上有所不同：本综述并非按器官对所有病原体类别进行感染性疾病应用的编目，而是将焦点专门限定于病毒病原体，将二十一个代表性平台置于统一的“生理相关性-通量”坐标图中，提供基于标准的比较性框架以评判平台充分性（第2节），并跨六个病毒疾病领域并列综合定量感染和药物疗效终点（表2），而非将其作为孤立的案例。这种更聚焦且更具定量性和比较性的处理方式，加之涵盖截至2026年的文献，旨在为读者提供一个可操作的平台选择框架，而非描述性的文献清单。
三维（3D）体外模型在过去十年中已成为这两种极端之间一条具有生理学基础的中间路径。目前三种架构策略主导该领域：气液界面（ALI）Transwell培养，其中原代上皮细胞在顶端气相和基底液相之间的界面分化为极化的黏液纤毛组织；类器官，其中成体组织干细胞或人多能干细胞（hPSCs）在细胞外基质支架内自组织为三维、器官特异性的结构；以及微流控器官芯片装置，其中一个或多个组织区室在持续灌注下培养，通常还伴有循环免疫细胞和诸如周期性牵张等机械线索。这些平台均已被应用于模拟一系列具有临床重要性的人类病毒的感染，且每一种都具有独特的优势与局限性特征，这决定了其对于特定研究问题的适用性。
本综述显著拓宽了单器官综述通常涵盖的范围。本综述考察了三维体外模型已取得有意义验证的六个领域：呼吸道病毒感染（流感病毒、SARS-CoV-2、鼻病毒和呼吸道合胞病毒），采用ALI气道和鼻腔培养、气道/肺类器官以及肺泡-毛细血管器官芯片系统建模；嗜肝病毒感染（乙型和丙型肝炎病毒），采用灌注式微流控肝细胞培养和患者来源肝脏类器官建模；肠道病毒感染（轮状病毒、诺如病毒和柯萨奇病毒），采用人肠道类器官和肠芯片系统建模；出血热病毒感染（埃博拉病毒和拉沙病毒），采用微血管芯片平台建模；心脏嗜性SARS-CoV-2感染，采用人工程化心脏组织建模；以及嗜神经TORCH病毒感染（寨卡病毒和单纯疱疹病毒1型），采用人脑类器官建模。本综述最后将这些平台类别定位于“生理相关性-通量”坐标图中，并考察目前限制其在临床前病毒学和抗病毒药物发现中更广泛采用的转化挑战（供体变异性、通量、跨实验室标准化和免疫细胞整合）。
定义良好的病毒疾病模型：比较性标准
在考察第3节（呼吸道病毒感染模型）、第4节（嗜肝病毒感染模型）、第5节（肠道病毒感染模型）、第7节（神经嗜性（TORCH）病毒感染模型）中的平台特异性应用之前，有必要明确一套显式标准，据此可判断任何三维病毒感染模型（无论是ALI培养、类器官还是器官芯片）的生理充分性。本综述所综合的文献中反复出现七项标准。
易感性与病毒复制动力学：模型必须支持生产性感染，具有足以支持病毒进入的受体和共受体表达，并以与自然感染观察到的滴度相当的水平进行复制，且在临床相关的时间尺度上持续，而非仅一次顿挫性复制周期。
组织和细胞嗜性：模型应保留体内自然靶向的特定细胞亚型或多种亚型，例如呼吸道病毒的纤毛气道细胞或HBV和HCV的肝细胞，而非仅包含以非生理方式排列的易感细胞类型。
先天免疫应答：生理上忠实的模型重现临床观察到的抗病毒细胞因子和干扰素诱导的模式（而不仅是其存在），例如在流感病毒和SARS-CoV-2攻击的ALI和类器官平台中记录的CXCL10、IL-6以及I型/III型干扰素应答。
细胞病理学：除分子读数外，充分的模型重现标志性的组织水平损伤表型，例如屏障破坏、纤毛损伤、合胞体形成，或在TORCH病毒感染的脑类器官中记录的小头畸形样表型，这些表型将感染与疾病联系起来。
包含免疫和基质区室：驻留或循环免疫细胞以及基质成分在体内塑造宿主-病原体动力学，并日益通过巨噬细胞共培养和免疫细胞灌注纳入类器官和器官芯片平台，使这些模型超越纯粹的上皮或实质读数。
可重复性：感染动力学、细胞因子应答和药物疗效读数的跨供体和跨实验室一致性对于平台支持监管级临床前决策至关重要，正如第4节讨论的多实验室ALI/类器官协调研究所直接证明的那样。
可扩展性和通量：筛选规模应用的可行性必须与在低通量、器官级平台中可实现的机制深度进行权衡；近期整合类器官和器官芯片技术的努力旨在缩小这一权衡，而不牺牲生理保真度。
没有任何单一平台能同时满足全部七项标准，因此下文第3节至第7节中的平台选择指导应结合该框架来解读：对于机制性宿主应答问题，低通量、免疫活性的器官芯片模型可能是正确的选择，而对于初级抗病毒筛选，标准化、更高通量的ALI或类器官平台仍然更可取。第9节通过将六类平台定位于“生理相关性-通量”坐标图，明确回归了这一权衡。
三维模型架构概述
图1总结了本综述讨论的四种主要三维模型架构：（A）ALI Transwell培养，其中分化的气道上皮在顶端暴露于空气，而基底侧供应培养基；（B）成体干细胞或hPSC来源的类器官，其在细胞外基质穹顶内自组织为极化的、器官特异性的三维结构；（C）微流控器官芯片装置，其在持续灌注下共培养上皮和内皮（或其他组织-组织界面），并在肺芯片的情况下施加周期性机械牵张；以及（D）灌注式肝脏类器官/微流控肝细胞培养，其支持长期培养和诸如HBV等嗜肝病毒的完整复制。图B和C中相同的底层架构在肠道、血管、心脏和脑类器官/芯片系统中以器官特异性适应方式重现，相关讨论见第5、6和7节。
呼吸道病毒感染模型
气液界面（ALI）Transwell培养
ALI Transwell模型仍是最广泛使用且最标准化的三维呼吸道模型。源自鼻、近端或远端气道组织的人原代气道上皮细胞被接种到多孔膜插入物上，并仅在基底侧供应培养基进行培养（图1A）；在3-4周内，细胞分化为包含纤毛细胞、杯状细胞、棒状细胞和基底细胞的假复层上皮，其组成紧密反映天然气道组织。一项 recent 多实验室协调研究直接比较了ALI Transwell模型与两个独立来源的气道类器官模型，使用共享的流感A病毒储备液：所有三个平台均显示棒状细胞、杯状细胞和纤毛细胞的一致存在、相似的病毒复制动力学（通过TCID50测定病毒滴度增加超过4个log），以及可重复的抗病毒细胞因子应答，包括CXCL10、IL-6、IFN-λ1、IFN-λ2/3和IFN-β的一致诱导，尽管实验室之间的细胞来源和培养方法存在差异。跨相同三个模型进行的血清介导中和测定产生了一致的3至6个log的病毒滴度降低，支持ALI和类器官模型在某些疫苗免疫原性应用中可互换使用。
气道、肺和鼻类器官
源自成体气道基底干细胞的气道类器官，以及源自人多能干细胞（hPSC-LOs）的肺类器官，提供了一种自组织的ALI培养替代方案（图1B），更好地保留了天然气道和肺泡组织的封闭三维管腔几何结构。富含肺泡II型（AT2）样细胞的hPSC来源肺类器官已被证明对SARS-CoV-2感染具有易感性，AT2样细胞群表达的ACE2、TMPRSS2和FURIN水平与天然人AT2细胞相当，并且在感染后表现出强烈的趋化因子诱导，mirror临床COVID-19细胞因子谱。肺和结肠类器官平台此外已被直接用于SARS-CoV-2抑制剂筛选，展示了类器官模型超越基础宿主应答表征的转化效用。
对于呼吸道合胞病毒（RSV）——其感染几乎所有两岁以下的儿童，并且在老年人和免疫功能低下的成年人中仍是重要的发病原因——已开发了一种非侵入性人鼻类器官（HNO）模型作为离体人挑战平台。HNO来源的ALI培养产生复杂的假复层上皮（基底细胞、杯状细胞、棒状细胞和纤毛细胞交错排列，显示自发同步纤毛摆动），支持当代RSV A和B亚型株以及SARS-CoV-2的生产性感染，产生类似于人类病理学的上皮损伤，并提供一种可通过非侵入性鼻冲洗或中鼻甲拭子而非侵入性活检获得的采样方法。更近期，人呼吸道类器官已被证明能够维持人鼻病毒C的可重复、可传代增殖，该血清型历史上曾抵抗稳定的体外培养，为研究HRV-宿主相互作用提供了一个易处理的平台，补充了下面讨论的基于芯片的鼻病毒加重模型。
肺泡和气道器官芯片系统
微流控器官芯片装置通过显式建模灌注下的组织-组织界面（图1C）扩展了类器官概念。一种仿生人肺泡芯片重现了肺泡-毛细血管屏障，在流体流动下共培养人肺泡上皮和微血管内皮并加入循环免疫细胞，证明上皮对SARS-CoV-2的易感性高于内皮，感染后第3天上皮区室中出现激活的先天免疫应答，内皮区室中出现细胞因子依赖性通路；瑞德西韦治疗抑制了病毒复制并减轻了芯片上的屏障破坏，直接证明了该平台对抗病毒疗效测试的实用性。一种相关的人肺芯片模型发现，尽管SARS-CoV-2感染肺泡上皮仅导致有限的顶端病毒粒子释放，但病毒RNA和蛋白在内皮下层中迅速被检测到，产生CD31表达降低的细胞簇、屏障完整性的进行性丧失以及由持续IL-6分泌驱动的促凝血微环境；IL-6阻断（托珠单抗）减少但未阻止这种屏障丧失，表明SARS-CoV-2介导的内皮损伤至少部分独立于全身性细胞因子风暴而发生。一种以分化支气管上皮和肺动脉内皮排列的人气道芯片已被用于快速抗病毒药物再利用：萘莫司他与奥司他韦联合给药将奥司他韦对甲型流感病毒的治疗时间窗加倍，而抗疟药阿莫地喹在临床相关剂量下抑制了芯片上的假型SARS-CoV-2感染，并在仓鼠体内第3天产生约70%的感染抑制，而羟氯喹在静态2D细胞系中对假型病毒具有活性，但在芯片上或体内均未显示抗病毒活性，直接说明了器官芯片反筛选如何能够标记来自常规2D测定的假阳性。一种微工程气道肺芯片进一步被用于模拟鼻病毒（HRV16）诱导的IL-13驱动的T辅助2型哮喘表型加重，重现了临床所见病毒细胞病理学、中性粒细胞跨上皮迁移和炎症反应的关键标志，并能够直接在芯片上评估免疫调节疗法。扩展这一免疫维度，一种纳入循环白细胞的有免疫活性肺芯片近期已被用于模拟严重流感感染的人体应答，捕获了纯上皮芯片设计中不存在的免疫驱动的组织损伤模式。
嗜肝病毒感染模型
灌注式微流控肝细胞培养
乙型肝炎病毒（HBV）慢性感染全球超过2.4亿人，然而长期以来缺乏能够支持完整HBV复制周期（包括形成病毒持续存在基础的共价闭合环状DNA（cccDNA）附加体）的长期体外模型。一种微流控原代人肝细胞（PHH）培养系统（图1D），维持超过40天，被证明在低滴度患者来源HBV接种后重现了HBV生命周期的所有步骤，并且PHH与库普弗细胞和其他非实质细胞的共培养使得能够鉴定特定免疫效应应答的细胞起源，建立了一个不仅适用于HBV而且可能适用于其他嗜肝病原体的临床前平台。
肝脏类器官
补充微流控肝细胞培养，患者来源肝脏类器官通过将组织碎片置于三维基底膜基质穹顶中并将扩增期类器官向肝细胞表型分化而建立，当与腺病毒递送系统耦合时支持稳健的HBV感染，所得模型在遗传稳定、可扩增和可冷冻保存的格式中支持完整HBV复制周期。人肝脏类器官此外已被直接提议作为患者来源平台，用于建模HBV感染及其与肝细胞癌的下游关联，HBV DNA在感染后多天内可通过定量PCR在类器官培养上清液中定量。
对于丙型肝炎病毒（HCV）——其慢性感染全球估计7100万人——一种基于微流控芯片的CD8
+ T细胞和成体干细胞肝脏类器官共培养系统已实现抗原特异性T细胞免疫的建模：用针对HCV NS3蛋白的HLA匹配肽脉冲的类器官被患者来源的针对该肽特异性的CD8
+ T细胞进行靶向杀伤，直接模拟了在动物模型中难以实现的细胞介导抗病毒免疫的人类组织背景。同一类器官系统中HBV复制被证明可被替诺福韦治疗阻断，进一步展示了抗病毒药物测试的实用性。一种相关多细胞肝脏类器官模型，纳入巨噬细胞共培养，已被用于联合研究HCV感染和非酒精性脂肪性肝病进展，反映了对在并发代谢性肝病背景下建模病毒感染的日益增长的兴趣。
肠道病毒感染模型
人肠道类器官
人肠道类器官（HIEs）是非转化的三维培养物，源自肠道隐窝干细胞，包含肠上皮细胞、杯状细胞、肠内分泌细胞和潘氏细胞，解决了肠道病毒学中长期存在的空白，因为关键人类肠道病毒在转化细胞系中复制不良或根本不复制。HIEs被证明支持人轮状病毒感染分化的肠上皮细胞和肠内分泌细胞，不同患者来源HIE系之间的复制效率存在显著变异性，直接反映了历史上限制轮状病毒动物模型宿主范围限制。在此平台基础上，HIE单层培养物实现了多株人诺如病毒（HuNoV）的首次体外成功培养——这是一种数十年来抵抗常规细胞培养传播的病毒——并且基于HIE的诺如病毒复制系统此后已被直接应用于评估与食品安全和感染控制相关的病毒灭活方法的效果。一项重大近期进展克服了长期限制人诺如病毒基因型GII.3在肠道类器官中连续传代的宿主范围限制，将稳定体外增殖扩展到先前需要间接增殖策略的基因型。
肠芯片系统
一种人肠芯片，在流体流动和蠕动样运动条件下排列高度分化的绒毛肠上皮，已被证明支持柯萨奇病毒B1（CVB1）——一种与心肌炎和无菌性脑膜炎相关的肠道病毒——的生产性感染，病毒粒子进入上皮、复制产生可检测的细胞病变效应，并且感染性病毒粒子和炎性细胞因子以极性化、顶端为主的方势释放，可通过分离的上皮和血管微通道流出物独立追踪。一种人肠芯片装置已单独用于模拟SARS-CoV-2对肠上皮的感染，解决了临床观察到的相当比例COVID-19患者出现胃肠道症状以及粪便中可检测到病毒RNA的问题。巨噬细胞增强的肠道类器官，纳入标准纯上皮肠类器官培养中不存在的驻留髓系区室，已被单独用于模拟肠道病毒病中的病毒-宿主相互作用并支持治疗开发，直接解决了第12.4节讨论的免疫区室限制。
出血热和心脏嗜性病毒感染模型
出血热的血管器官芯片模型
一种埃博拉出血性休克综合征芯片模型——一种微血管芯片系统——已证明腔内输注埃博拉病毒样颗粒通过Rho/ROCK通路介导的细胞骨架重塑引起工程血管的白蛋白渗漏，仅输注埃博拉糖蛋白（GP1,2）即可重现相同表型并确认其在血管通透性中的核心作用。一种相关的拉沙出血性休克综合征芯片，建立在相同的微血管平台上，同样证明了病毒诱导的血管通透性急剧增加，说明这种芯片架构可推广至多种出血热病毒，并为难于在人类相关系统中安全研究的疾病提供一个易处理的平台，用于测试候选血管保护性治疗药物。一种具有重要区域关注度的相关布尼亚病毒——严重发热伴血小板减少综合征病毒（SFTSV）——与埃博拉和拉沙病毒一样引起出血热综合征，近期已在多个类器官和组织水平上进行研究，包括胰腺受累，将出血热病毒平台基础拓宽至上述两个血管芯片系统之外。
病毒性心肌炎的工程化心脏组织模型
心脏并发症发生于20-44%的住院COVID-19患者，并构成死亡的独立危险因素，然而这些并发症究竟反映直接心肌感染还是全身性炎症的继发后果，长期以来并不清楚，部分原因是标准小鼠模型对SARS-CoV-2不易感，因为病毒刺突蛋白对鼠ACE2亲和力差。一种人工程化心脏组织（EHT）模型，由确定的细胞和细胞外基质组分自组装而成，被用于证明SARS-CoV-2以ACE2和内体半胱氨酸蛋白酶依赖的方式选择性地直接感染心肌细胞；感染组织重现了心肌炎的标志性特征，包括心肌细胞死亡、收缩功能受损、肌节解体以及先天免疫细胞激活，这些发现通过COVID-19心肌炎确诊患者的尸检和活检组织中所观察到的斑片状心肌细胞感染和巨噬细胞为主的浸润得到证实。
神经嗜性（TORCH）病毒感染模型
人脑类器官是自组织的诱导多能干细胞来源结构，重现胚胎人脑细胞结构组织的方面，已被证明对研究TORCH组神经嗜性病毒（弓形虫、其他病原体、风疹病毒、巨细胞病毒、单纯疱疹病毒）特别有价值，这些病原体的神经发育病理学在不是这些病原体天然宿主的啮齿动物模型中难以重现。在2016年寨卡病毒（ZIKV）爆发及其与先天性小头畸形的强流行病学关联之后，人iPSC来源神经球和脑类器官被证明对ZIKV感染直接易感，该病毒减小类器官大小和活力，并在神经干细胞群体中诱导程序性细胞死亡，提供了将ZIKV感染与小头畸形样表型在细胞水平上联系起来的一些最早直接因果证据。
一项后续比较研究使用脑类器官对ZIKV和单纯疱疹病毒1型（HSV-1）引起的小头畸形进行建模，发现两种病毒均高效复制并通过细胞死亡减弱类器官生长，但引发不同的转录应答：HSV-1独特地损害神经上皮特性，且尽管两种病毒均不强烈诱导I型干扰素系统，但每种病毒引起的类器官缺陷可通过不同的I型干扰素挽救——这些表型和机制性区别在匹配的2D培养系统中无法重现，直接证明了三维类器官格式在该应用中的优越性。脑类器官对病毒诱导的神经发育障碍的建模更广泛地已被认识到比传统动物模型具有明显优势，因为后者的脑结构和发育轨迹与人类情况显著不同。神经嗜性病毒研究的类器官工具包已继续扩展到TORCH组之外：人脑类器官近期已能够安全研究尼帕病毒——一种在大多数常规实验室环境中难以研究的风险4级病原体——为最危险的神经嗜性病毒的CNS嗜性研究开辟了一条易处理的途径。血管化人脑类器官纳入外周-脑轴类似地已被开发用于建模HIV-1神经发病机制，说明血管整合（第2节中讨论的平台标准）正开始将类器官神经病毒学扩展到本综述主要关注的TORCH病毒之外。
平台景观：生理相关性与通量
在本综述第3-7节考察的六个病毒疾病领域中，生理相关性和实验通量之间出现了一致的权衡。图2将六类广泛平台（2D细胞系、动物模型、ALI Transwell培养、类器官、器官芯片系统以及新兴的多器官/芯片上的身体系统）沿这两个轴定位，基于本综述记录的架构复杂性、免疫和血管整合以及研究报告规模。2D细胞系在用于高通量初级筛选方面仍然无与伦比，但如气道芯片平台上的羟氯喹假阳性所示，可产生误导性的疗效信号，而器官级模型随后纠正了这些信号。动物模型和脑类器官聚集在生理相关性高但通量低的位置，分别反映成本、伦理约束和劳动力密集型方案。器官芯片和多器官系统在组织-组织界面生物学方面占据最高相关性空间，但仍然是通量最低的类别，适用于假设驱动的机制和药物疗效研究，而非初级筛选活动。
模型平台的比较总结
表1总结了第3-7节讨论的平台类别的架构、代表性病毒应用和主要优势与局限性。表2以代表性研究子集的定量感染和药物疗效终点补充了这一总结，说明了这些平台支持的读数范围（病毒滴度倍数变化、获得结果时间、药物应答幅度）。
抗病毒药物发现和疫苗测试中的应用
除基础宿主-病原体相互作用研究外，三维体外模型正日益直接整合到抗病毒和疫苗开发管线中，上述若干研究提供了这种转化价值的直接定量证据（总结于表2）。基于类器官的筛选已使用肺和结肠类器官平台鉴定了候选SARS-CoV-2进入抑制剂和复制抑制剂，而肺泡器官芯片系统已使用瑞德西韦作为阳性对照化合物证明了抗病毒疗效测试能力。人气道芯片药物再利用研究特别值得注意的是具有转化意义的阴性结果：羟氯喹在常规静态2D细胞系中对假型SARS-CoV-2具有活性，但在芯片上或仓鼠攻击模型中未显示抗病毒活性，而阿莫地喹在两个平台上均有活性，并继续在体内显示出显著的预防和治疗活性，说明器官芯片反筛选可以预先标记尽管2D数据良好但可能在体内失败的化合物。在嗜肝病毒研究中，替诺福韦对HBV复制的疗效已在肝脏类器官培养中直接验证，鼻病毒诱导的哮喘加重芯片已被用于在疾病相关气道环境中直接评估免疫调节疗法。基于人肠道类器官的诺如病毒复制系统此外已被直接应用于评估与食品安全和感染控制相关的病毒灭活和消毒策略的效果。在疫苗开发方面，ALI/类器官协调研究指出，使用复杂黏膜模型开发和测试候选疫苗可能通过减少对2D细胞培养和动物模型的依赖来缩短疫苗测试时间线，缩小临床前和临床疫苗评价之间的转化差距。CRISPR/Cas9基因组编辑此外已与类器官模型结合，以鉴定SARS-CoV-2感染所需的宿主遗传因素，包括CRISPR敲除类器官生物库方法，能够在生理相关的人类组织中直接进行系统性宿主因子发现。超越单平台应用，该领域近期更广泛的综合研究强调，类器官和器官芯片平台的转化价值将日益依赖于在本综述所调查的平台类别中整合成熟化、标准化和可扩展筛选能力。
转化挑战
供体和批次变异性
ALI培养和类器官通常均源自原代人类组织或患者特异性干细胞，引入了供体间在分化效率、病毒受体表达和基线免疫基调方面的变异性，这使跨研究比较复杂化，并且除非使用具有充分效力的供体队列，否则可能掩盖候选治疗药物的真实生物学效应。轮状病毒HIE研究直接记录了这种跨患者来源类器官系复制效率的变异性（表1），强调这不是假设性问题，而是原代组织来源平台可重复观察到的特征。
跨实验室标准化
正如多实验室ALI/类器官协调研究所直接证明的，即使使用相同的病毒储备液，细胞来源、培养方案和感染方法论的差异也可能使不同研究组的结果比较复杂化；随着该领域向监管级临床前使用扩展，这种持续的合作性协调努力将是必要的。
通量和成本
器官芯片平台尤其仍然是相对低通量的，并且相对于常规2D细胞培养或甚至类器官培养，需要专门的微加工专业知识和设备，限制了其当前用于假设驱动的机制研究和定向药物疗效测试，而非大规模初级筛选活动，这一权衡在图2的定位景观中被明确化。
免疫系统整合
大多数上皮类器官和ALI模型缺乏驻留或循环免疫区室，限制了其建模塑造临床疾病严重程度的适应性和先天免疫应答的能力。显式纳入免疫细胞的器官芯片和共培养类器官系统，例如上述CD8
+ T细胞肝脏类器官共培养和免疫细胞灌注肺泡芯片，代表了重要但相对罕见的类别，更广泛地纳入体液和细胞免疫成分仍是平台开发的活跃领域。巨噬细胞增强的类器官平台涵盖肠道、心脏和其他组织背景，正开始通过将上皮或实质区室与能够塑造感染结局的驻留髓系群体配对来缩小这一差距，如第6节讨论的肠道病毒应用所示。
发育阶段和成熟度限制
源自多能干细胞的大脑、肺、肠道和心脏类器官通常对应于胎儿或早期出生后组织而非成熟成人器官，这一限制直接与解读TORCH病毒小头畸形模型和工程化心脏组织心肌炎模型相关，并且在将发现外推至出生后或成人病毒疾病时必须加以考虑。
未来展望
若干方向可能塑造三维体外病毒感染模型的持续发展。连接呼吸道、肝脏、肠道、血管、心脏和神经区室的多器官或“身体芯片”系统可能实现严重病毒疾病（包括COVID-19和出血热）特征性全身和多器官表现的直接体外建模——这一方向已被这些新兴系统在图2中占据的最高相关性、最低通量位置所预见。将患者来源免疫细胞与上皮和内皮区室更深入整合，将是建模决定疾病严重程度和疫苗疗效的适应性免疫应答所必需的。继续开展跨实验室标准化努力，如ALI/类器官协调研究所展示的，对于确立这些平台作为监管级临床前抗病毒和疫苗评估管线中可接受的组成部分至关重要，与常规2D和动物模型并列——而非作为其彻底替代。这种快速反应应用的平台基础已经在扩展：人肝脏来源类器官近期已被用于重现奥罗普切病毒（一种截至2024年尚无既定三维感染模型的新出现公共卫生关注虫媒病毒）的感染，并在其成为临床关注问题后数月内支持针对它的抗病毒药物发现，说明了多器官和身体芯片系统旨在推广的快速反应平台就绪性。
结论
三维体外模型（气液界面培养、干细胞来源类器官、人肠道类器官、工程化心脏组织和微流控器官芯片系统）已成熟为用于研究呼吸道、肝、胃肠、血管、心脏和神经系统中病毒感染的生理相关、人类特异性平台。这些平台已证明彼此之间以及与临床观察之间一致的病毒复制动力学和免疫应答谱，为TORCH病毒诱导的小头畸形和SARS-CoV-2诱导的心肌炎提供了一些最早的直接细胞证据，并已被直接应用于抗病毒药物疗效测试——包括鉴定有效的药物再利用候选分子和来自常规2D筛选的具有临床重要意义的假阳性。实现其全部转化潜力将依赖于解决供体变异性、跨实验室标准化、通量限制、免疫系统整合和发育成熟度约束，但该领域的轨迹表明，这些模型将与传统方法一起在临床前病毒学中发挥日益核心的作用。
