第18章，类器官简介，壬寅年6月21

关于最近学习生活的反思；

1.静心，还是过于浮躁了，想做的太多，实干的太少，上善若水，自有其得。

2.作息，作息还是不够稳定，也许受到了急于求成的影响吧。

3.规划，学习计划还是不够详细，回头看的知识还是少了些。

4.抗压能力，最近的确认识到了意外颇多，也的的确确需要锻炼自己的抗压能力了。

5.平衡，过刚易折，需要把握好自己的学习生活节奏。

介绍一些类器官的常识，权当复习。

类器官属于三维（3D）细胞培养物，包含其代表器官的一些关键特性。此类体外培养系统包括一个自我更新干细胞群，可分化为多个器官器官特异性的细胞类型，与对应的器官拥有类似的空间组织并能够重现对应器官的部分功能，从而提供一个高度生理相关系统。

引用关于类器官前景的总结：

类器官的应用可以概括为以下3类：

1.通过类器官对发育和疾病进行建模

研究人员可以通过类器官来模拟人类发育和疾病，因为类器官是从人类干细胞或成年细胞产生的诱导性多能干细胞生长而来的，它们的成分和结构也与原发组织相似，并且易于操作和冷冻保存。这意味着类器官可以用于研究源自干细胞的人体组织且难以通过动物模型模拟的人类疾病分析，研究人员仅需少量的起始物质即可培养类器官。

2.干细胞类器官工程

干细胞生物工程技术的进步提高了控制细胞类型，组织和相互作用的能力，而类器官工程正需要通过直接修饰干细胞或控制微环境来操纵每个结构层。现在，科学家已经开发了更精确的合成环境，通过用信号蛋白修饰基质的生物惰性区域，可以更好地控制干细胞的活性。类器官工程技术对于一些体内环境成分复杂、需要精确建模的发育研究特别有用。

3.类器官与精准医学

类器官具有巨大的治疗潜力，利用活检技术就可以培养与病人具有遗传相似性的类器官模型，同时意味着可以利用源自患者干细胞的类器官系统来进行个性化药物功效测试，为患者提供更加精准的治疗方法。

当然，应用的具体领域涉及肠道（小肠/结肠）、胃、肝脏、心脏、肺、前列腺、胰腺、肾脏、乳腺、脑类、视网膜以及内耳等等方面，在相应领域也有自己的划分。

正常类器官主要来源于干细胞，干细胞包括多能干细胞（Pluripotentstemcells，PSCs）和成体干细胞（Adultstemcells，ASCs），其中多能干细胞包括胚胎干细胞（Embryonicstemcells，ESCs）、诱导多能干细胞（Inducedpluripotentstemscells，iPSCs）。成体干细胞相比多能干细胞，优势是建模简便快捷，但劣势是构建的类器官结构相对比较简单。多能干细胞构建的类器官结构更为复杂。（前文提到过）

当代类器官的发展成果，主要集中在近十余年。

2007年，HansClevers的实验室通过lineagetracing验发现小肠和结肠的干细胞为Lgr5+细胞。

2009年，HansClevers实验室使用单个鼠LGR5+肠干细胞在体外自组织成为具有肠隐窝-绒毛结构的肠类器官。

2011年，由人多能干细胞和原代成体干细胞发育而来的肠类器官被成功制作。同年，由鼠胚胎干细胞培育而来的视网膜类器官被首次成功培育。

2012年，由人多能干细胞发育而来的视网膜类器官成功培育。

2013年，由人多能干细胞发育而来的脑类器官被成功培育。肝、肾、胰类器官被成功培育。

2014年，前列腺、肺类器官被成功培育。

2015年，乳腺、输卵管、海马体类器官被成功培育。

2020年，蛇毒液腺类器官被成功培育。

2021年1月28日，科技部下发的《关于对“十四五”国家重点研发计划6个重点专项2021年度项目申报指南征求意见的通知》中，把“基于类器官的恶性肿瘤疾病模型”列为“十四五”国家重点研发计划中首批启动重点专项任务。另外，“十四五”国家重点研发计划中重点指出，类器官作为一项重大的技术突破被用于疾病模型的建立中，且可用于研究病理状态下干细胞变异、异质性及其发生机理，挖掘疾病诊疗的新靶标，探索诊疗新策略。类器官技术在未来将有非常大的应用价值和发展前景。

虽然类器官培养技术目前正处于技术爆发和科研成果井喷的阶段，行业发展具有很大的前景，但也面临较大的挑战。比如如何利用好人体胚胎的干细胞建立持久稳定的体外模型；培养条件和环境刺激如何更真实的模拟还原人体微环境；科研属性的产品如何实现量产，如何转化为临床产品等。

类器官作为新型的药筛模型，成本虽然较PDX更低，但还是远高于细胞系。类器官成本占比较高的包括培养使用的基质胶，常用的基质胶为美国BD公司的Matrigel，在行业内处于较为垄断的地位，价格较高。Matrigel可以产生类似于哺乳动物细胞基底膜的生物活性基质材料，帮助多种类型的细胞达到附着和分化。Matrigel的来源是小鼠肉瘤细胞系，除了成本较高的问题，同时批次间存在一定的变异性。且由于是动物来源，对于有机类的药物的检测有局限性。考虑到小鼠来源的细胞外基质对于药物筛选实验结果存在一定的干扰，因此基质的工程技术开发用于合成外源差异较小的、非动物来源的基质胶用于成本下降和性能优化将是类器官产业化需要解决的关键性问题之一。基质胶以外，培养也涉及多种细胞因子组合使用，细胞生长因子通常也价格不菲。选择效果更好的细胞因子以及尝试减少使用细胞因子的数量也可以带来成本下降的空间。

而且目前大多类器官本身并不具备血管化的结构。因此，随着类器官体积的增长，类器官受限于氧气的缺失以及代谢废物的增加，可能导致的组织坏死。已有研究构建血管内皮细胞微环境的肿瘤类器官，将类器官肿瘤细胞和血管内皮细胞在Matrigel上共同培养，生成血管结构以期解决类器官血管化缺失的问题。

血管化以外的难点还包括模拟肿瘤和免疫环境的相互作用关系。2019年Nature期刊发表了肿瘤类器官和免疫细胞共同培养的相关，可以体现和模拟出肿瘤微环境的部分特征。以上皮类器官和免疫细胞共培养模型为例，可通过在培养基中添加活化的免疫细胞、在组织消化成单细胞后和免疫细胞共同生长、添加ECM中的重组细胞因子等方法重塑类器官和免疫细胞的相互作用。

相比于单个类器官，类器官系统的构建能够对药物疗效和潜在毒性做出更完整全面的评估。目前类器官仅能检测出药物对于肿瘤的抑制效果，对于其他器官组织是否存在其他副作用和安全性风险并不能做出预判。为了解决这一问题，2017年Skardaletal.构建了有心脏、肺部、肝脏组成的集成于闭合循环关注体中的类器官系统，以达到全面揭示药物对不同器官的毒性和药效的目的.

重复性和一致性也是类器官发展的重大瓶颈，这很大程度上由于过程控制的欠缺与行业标准的空白。类器官培养过程中人为因素的过多参与、自动化程度低导致因为系统偶然性造成的误差较大。同时，类器官检测手段十分匮乏，活体观察主要集中在形态学观察，断点观察集中在基于荧光的各类指标的检测，能够活体实时对类器官各项指标进行检测的光学、电化学等手段仍较为欠缺。当前，类器官很多研究者致力于制造更新的类器官，做出之前未能做出的类器官，我们可以制作海马体、垂体、腺体、脾、肾的类器官，却难以确定一个符合要求的类器官需要满足那些个体的诸如尺寸、形状、基因表达量等，群体的诸如类器官之间的方差等统计学指标。这将限制类器官的高效研究与向临床研究的转化。

对于类器官培养过程中的工程控制也是亟待解决的问题。当前类器官培养大多使用Matrigel水凝胶作为培养基质，Matrigel是康宁生命科学公司生产的Engelbreth-Holm-Swarm(EHS)小鼠肉瘤细胞分泌的胶状蛋白混合物。Matrigel因其含有外源成分，难以应用在人的很多治疗场景。另一方面，虽然类器官与微流控技术已有一些结合研究的例子，但使用微流控芯片对类器官生存的流体环境进行模拟仍不成熟，如何使用微流控等技术对类器官培养时流体微环境进行控制是亟待解决的问题。同时，现有类器官的直径约在100-500μm之间，虽然具有一定程度的尺度效应，但还是难以模拟真实组织、器官的场景。倘若要制造尺度更大的类器官，类器官的血管化也是十分重要的问题。

总而言之，类器官还是有许多值得深入的领域，前景也很广阔。

明天恢复关于临床疾病和中医药的学习，速速调整。

他朝相见，使若千秋万岁！

终笔于壬寅年六月二十一。