超越傳統(tǒng)模型：類器官在疾病研究、藥物篩選與個(gè)性化治療中的全景應(yīng)用

關(guān)鍵詞：類器官；3D培養(yǎng)；成體干細(xì)胞；誘導(dǎo)多能干細(xì)胞；原代肝細(xì)胞；腎近端小管上皮細(xì)胞；結(jié)腸上皮細(xì)胞；腎小球上皮細(xì)胞；支氣管上皮細(xì)胞；肺泡上皮細(xì)胞；細(xì)胞外基質(zhì)；超低吸附培養(yǎng)板；外周血CD34+細(xì)胞；臍帶血CD34+細(xì)胞；動(dòng)員外周血CD34+細(xì)胞；Organoid；3D Cul-tivation；Adult Stem Cells；Induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs)；Primary Hepatocytes；Proximal Tubular Epithelial Cells（PTECs）；Colonic Epithelial Cells（CECs）；Kidney Glomerular Epithelial Cells（GECs）；Bronchial Epithelial Cells（BECs）；Alveolar Epithelial Cells（AECs）；Extracellular Matrix（ECM）；Peripheral Blood CD34+ Cells；Cord Blood CD34+ Cells；Mobilized Peripheral Blood CD34+ Cells

2025年4月10日，美國(guó)FDA宣布了一項(xiàng)重大政策轉(zhuǎn)變：將逐步淘汰在單克隆抗體（mAb）藥物安全性評(píng)估中強(qiáng)制要求進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的規(guī)定，并正式鼓勵(lì)采用類器官（Organoid）等人類細(xì)胞衍生的新型非動(dòng)物測(cè)試方法（NAMs）作為替代或補(bǔ)充方案。 這標(biāo)志著藥物安全評(píng)估范式向更人性化、更精準(zhǔn)科學(xué)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵一步，也進(jìn)一步標(biāo)志著類器官（Organoid）的發(fā)展掀開(kāi)了新的篇章！

類器官（Organoid）是原始組織樣本中的成體干細(xì)胞或誘導(dǎo)多能干細(xì)胞【Induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs)】通過(guò)體外三維培養(yǎng)和自我組裝，再現(xiàn)體內(nèi)組織器官結(jié)構(gòu)的特殊3D培養(yǎng)（3D Cult-ivation）組織結(jié)構(gòu)。目前3D類器官培養(yǎng)技術(shù)已經(jīng)成功培養(yǎng)出大量具有部分關(guān)鍵生理結(jié)構(gòu)和功能的類組織器官，比如：腎、肝、肺、腸、腦、前列腺、胰腺和視網(wǎng)膜等。

圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

01    3D培養(yǎng)技術(shù)

球狀體培養(yǎng)是一種初代三維細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，是由原代細(xì)胞或癌細(xì)胞系在培養(yǎng)過(guò)程中自組裝成簡(jiǎn)單的球形或多細(xì)胞聚集體，保留了三維結(jié)構(gòu)和組織特異性。球狀體培養(yǎng)相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)超低粘附培養(yǎng)、懸滴培養(yǎng)、磁化細(xì)胞培養(yǎng)等技術(shù)，原代細(xì)胞可以不依賴細(xì)胞外基質(zhì)Extracellular Matrix（ECM），僅通過(guò)相互作用自然聚集形成直徑高達(dá)150-175µm的球狀團(tuán)聚體。與傳統(tǒng)的二維單層細(xì)胞培養(yǎng)相比，球狀體培養(yǎng)能夠更真實(shí)地反映細(xì)胞在體內(nèi)的生理特性，適合腫瘤生物學(xué)研究和高通量藥物篩選分析。

作為另一種3D培養(yǎng)（3D Culti-vation）技術(shù)產(chǎn)物的類器官，其形成機(jī)制和應(yīng)用領(lǐng)域與球狀體有很大的不同。類器官是干細(xì)胞自我更新和分化能力的體現(xiàn)，能夠在體外形成具有多種細(xì)胞類型和生理功能的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，高度模擬體內(nèi)生理環(huán)境的能力，更適合用于再生醫(yī)學(xué)和個(gè)性化醫(yī)療研究。

因此，類器官培養(yǎng)技術(shù)的本質(zhì)是再現(xiàn)體內(nèi)器官的結(jié)構(gòu)和功能，提供比傳統(tǒng)二維細(xì)胞培養(yǎng)和動(dòng)物模型更接近生理狀態(tài)的模型。體外類器官培養(yǎng)是一項(xiàng)重大的技術(shù)突破，為研究組織發(fā)育、疾病建模、藥物篩選、個(gè)性化醫(yī)學(xué)和細(xì)胞治療提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具 。

02    類器官培養(yǎng)方法

類器官一般分為組織來(lái)源類器官和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞【Induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs)】來(lái)源類器官。前者是從組織中制備單細(xì)胞懸液，隨后立即嵌入細(xì)胞外基質(zhì)(Extracellular Matrix, ECM) 中， 在特定生長(zhǎng)因子的存在下生長(zhǎng)至類器官形成；后者則是將多能干細(xì)胞的2D培養(yǎng)物用生長(zhǎng)因子如激活素A (Activin A) 等誘導(dǎo)為內(nèi)胚層，再在3D培養(yǎng)基中使用特定分化信號(hào)，最終得到所需的組織類型。 對(duì)于不易獲得組織樣本的器官如腦等，可用 iPSCs 得到類器官。此外，一些類型的類器官只能由iPSCs構(gòu)建，形成的類器官與組織來(lái)源類器官相比包含間充質(zhì)層，建立后不能通過(guò)傳代延續(xù)，且在體外很難達(dá)到成體組織階段，類似胎兒期的組織，具有多能性，能形成更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。對(duì)于組織來(lái)源的類器官，信號(hào)通路的激活是其建立的關(guān)鍵，其培養(yǎng)方案比PSCs衍生類器官簡(jiǎn)單，傾向于直接復(fù)制原始組織，形成成熟類器官較快【1】。

目前3D類器官培養(yǎng)基質(zhì)膠技術(shù)已經(jīng)成功培養(yǎng)出大量具有部分關(guān)鍵生理結(jié)構(gòu)和功能的類組織器官，比如：腎、肝、肺、腸、腦和睪丸類等。下面為部分文獻(xiàn)已公布的組織借助細(xì)胞外基質(zhì)（Extracellular Matrix, ECM）培養(yǎng)成對(duì)應(yīng)類器官可能需要的營(yíng)養(yǎng)成分/培養(yǎng)基信息。

【肝類器官】

 組織來(lái)源：原代肝細(xì)胞（Primary Hepatocytes）

 培養(yǎng)基：DMEM/F12、N2、B27、N-乙酰半胱氨酸、胃泌素、EGF、RSPO1條件培養(yǎng)基、FGF10、煙酰胺、HGF【2】

【肺類器官】

 組織來(lái)源：支氣管上皮細(xì)胞（Bronchial Epithelial Cells，BECs）

 培養(yǎng)基：有谷氨酰胺、 HEPES 緩沖液、抗真菌抗生素、N2補(bǔ)充劑(細(xì)胞 培養(yǎng)添加劑)、B27、N-乙酰半胱氨酸、人EGF的 高級(jí)DMEM/F12中，以及含有Wnt3a、Noggin和 R-spondin條件培養(yǎng)基【3】

【肺類器官】

 組織來(lái)源：肺泡上皮細(xì)胞（Alveolar Epithelial Cells，AECs）

 培養(yǎng)基：DMEM/F12、FGF7 (KGF) 、BMP4、ROCK抑制劑、A83-01、Dexamethasone、8-Br-cAMP、B27 Supplement【7】

【腎類器官】

 組織來(lái)源：腎近端小管上皮細(xì)胞（Proximal Tubular Epithelial Cells，PTECs）

 培養(yǎng)基：Advanced DMEM/F12、Wnt激動(dòng)劑（R-spondin 1 conditioned medium 或 CHIR99021），Noggin，EGF，F(xiàn)GF2，A83-01（TGF-β抑制劑），B27，Nicotinamide，Y-27632【4】

【腸類器官】

 組織來(lái)源：結(jié)腸上皮細(xì)胞（Colonic Epithelial Cells，CECs）

 培養(yǎng)基：Advanced DMEM/F12、Wnt-3A Conditioned Medium、R-spondin 1 Conditioned Medium、Noggin Conditioned Medium、EGF、A83-01、Nicotinamide、B27 Supplement、N-Acetylcysteine【5】

【生殖類器官】

 組織來(lái)源：子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞

 培養(yǎng)基：DMEM、N2、B27、HEPES、谷氨酸、EGF、R-spondin、Noggin、A83-01、CHIR99021【6】

綜上所述，理論上所有組織均有形成對(duì)應(yīng)類器官的能力。然而，組織來(lái)源獲取難、擴(kuò)增能力有限及樣本間批次性差等問(wèn)題限制了從組織發(fā)育到類器官的過(guò)程。因此，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（Induced Pluripotent Stem Cells ，iPSCs）來(lái)源的類器官亦同樣重要，甚至是發(fā)展某些類器官的主要方法！

【來(lái)源】起始細(xì)胞

【組織】成體干細(xì)胞 或 已分化的組織細(xì)胞

【iPSC】誘導(dǎo)多能干細(xì)胞

【來(lái)源】技術(shù)流程

【組織】

①獲取組織樣本

②消化成單個(gè)細(xì)胞

③在特定因子培養(yǎng)基中培養(yǎng)，自我組織化形成類器官

【iPSC】

① 獲取體細(xì)胞（如皮膚成纖維細(xì)胞、血細(xì)胞）

②重編程為iPSC

③iPSC擴(kuò)增和定向分化（模仿胚胎發(fā)育）

④形成類器官

【來(lái)源】核心原理

【組織】利用成體干細(xì)胞固有的自我更新和組織修復(fù)能力

【iPSC】利用多能干細(xì)胞的多能性和自我組織能力

【來(lái)源】遺傳背景

【組織】保留原組織的所有遺傳信息（包括體細(xì)胞突變），能很好地模擬特定個(gè)體（尤其是疾病，如癌癥）

【iPSC】保留供體個(gè)體的遺傳背景，但不包含后天獲得的體細(xì)胞突變

【來(lái)源】狀態(tài)

【組織】更接近成年組織的生理和功能狀態(tài)

【iPSC】通常更類似于胎兒或早期發(fā)育階段的組織

【來(lái)源】?jī)?yōu)勢(shì)

【組織】

①建立速度快

②保真度高，能高度模擬原組織（特別是腫瘤）

③個(gè)體化醫(yī)療的理想模型（如藥敏測(cè)試）

④技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單、成熟

【iPSC】

①來(lái)源廣泛

②可擴(kuò)展性（Scalability）極-強(qiáng)，iPSC可無(wú)限擴(kuò)增

③可生成任何器官類型

④是研究發(fā)育生物學(xué)和遺傳病的完-美平臺(tái)

【來(lái)源】局限性

【組織】

①來(lái)源受限，依賴于侵入性活檢（尤其對(duì)腦、心等器官）

②擴(kuò)增能力有限，傳代次數(shù)過(guò)多可能喪失特性

③難以模擬發(fā)育過(guò)程

④ 樣本間異質(zhì)性較大

【iPSC】

①流程長(zhǎng)且復(fù)雜

②成本高

③存在殘留未分化細(xì)胞的風(fēng)險(xiǎn)

④表型可能不完-全成熟

【來(lái)源】典型應(yīng)用

【組織】

①癌癥研究（病人來(lái)源腫瘤類器官PDTOs）

②個(gè)性化藥物篩選

③腸道、肝臟等疾病建模（ where biopsies are accessible）

【iPSC】

①發(fā)育生物學(xué)研究

②遺傳性疾病建模

③毒理學(xué)和藥物安全性評(píng)估

④多器官互作研究

簡(jiǎn)而言之，兩者并非競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，而是互補(bǔ)關(guān)系。根據(jù)具體的研究問(wèn)題和目的選擇合適的技術(shù)路徑，或者結(jié)合使用兩者，能夠更全面深入地理解生命機(jī)理和疾病治療。如腎小球上皮細(xì)胞（Kidney Glomerular Epithelial Cells，GECs）類器官，是目前腎臟類器官研究中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。與已經(jīng)成熟的腎小管類器官相比，腎小球類器官的培養(yǎng)更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗枰獜?fù)現(xiàn)更復(fù)雜的多細(xì)胞結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的濾過(guò)功能。目前主流的腎小球上皮細(xì)胞（Kidney Glomerular Epithelial Cells，GECs）類器官模型是從iPSC中獲得，即誘導(dǎo)iPSCs逐步分化為腎祖細(xì)胞，并自組織形成包含腎小球和腎小管結(jié)構(gòu)的整體腎類器官，然后從中識(shí)別或分離出腎小球部分。因此，合適的可重編程為iPSC的體細(xì)胞也至關(guān)重要！

圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

03    IPHASE 產(chǎn)品

綜上所述，IPHASE作為體外研究生物試劑引-領(lǐng)者，為滿足市場(chǎng)對(duì)類器官發(fā)展的高需求，現(xiàn)已逐步研發(fā)、生產(chǎn)出具有高活性、高純度且批次間差異小的原代肝細(xì)胞（Primary Hepatocytes）、腎近端小管上皮細(xì)胞（Proximal Tubular Epithelial Cells，PTECs）、結(jié)腸上皮細(xì)胞（Colonic Epithelial Cells，CECs）、腎小球上皮細(xì)胞（Kidney Glomerular Epithelial Cells，GECs）、支氣管上皮細(xì)胞（Bronchial Epithelial Cells，BECs）、肺泡上皮細(xì)胞（Alveolar Epithelial Cells，AECs）及多來(lái)源如外周血CD34+細(xì)胞（Peripheral Blood CD34+ Cells）、臍帶血CD34+細(xì)胞（Cord Blood CD34+ Cells）和動(dòng)員外周血CD34+細(xì)胞（Mobilized Peripheral Blood CD34+ Cells）等，助力組織來(lái)源類器官和iPSC類器官在疾病研究、藥物篩選與個(gè)性化治療等領(lǐng)域的全-方位發(fā)展，為生物醫(yī)學(xué)研究帶來(lái)革命性的變化！

IPHASE生產(chǎn)產(chǎn)品均具有以下優(yōu)勢(shì)：

 合規(guī)性 生產(chǎn)產(chǎn)品的組織均由正規(guī)渠道獲得，來(lái)源清晰。

 安全性 生產(chǎn)組織均經(jīng)過(guò)病原檢測(cè)，保證產(chǎn)品質(zhì)量安全。

 高質(zhì)量 生產(chǎn)產(chǎn)品均經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的內(nèi)部質(zhì)控，且同批次數(shù)量多，批次間差異性小。

 可定制 可根據(jù)客戶特殊需求，提供特殊種屬肝組織細(xì)胞的定制服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張言,朱春玲,楊蕊,等.類器官培養(yǎng)方法及家畜類器官研究進(jìn)展[J].生命科學(xué), 2023, 35(8):994-1003.

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[3] Hai J, Zhang H, Zhou J, et al. Generation of genetically engineered mouse lung organoid models for squamous cell lung cancers allows for the study of combinatorial immunotherapy. Clin Cancer Res, 2020, 26: 3431-42.

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[5] Sato, T., et al. (2011). Long-term expansion of epithelial organoids from human colon, adenoma, adenocarcinoma, and Barrett's epithelium. Gastroenterology, 141(5), 1762–1772.

[6] Haider S, Gamperl M, Burkard TR, et al. Estrogen signaling drives ciliogenesis in human endometrial organoids. Endocrinology, 2019, 160: 2282-97.

[7] Kathiriya, J. J., et al. (2020). Human alveolar type 2 epithelium transdifferentiates into metaplastic KRT5+ basal cells. Nature Cell Biology, 22(5), 548–559.