【提要】 類器官是成熟器官來源的三維上皮結構，包含干細胞或祖細胞，能夠獨立擴增并且分化為器官特異性上皮。利用三維方法培養類器官技術在組織再生、研究機體生理病理學、構建疾病模型及藥物篩選等方面均有廣闊的前景應用。本文將就三維條件下類器官培養的基礎、應用和前景作一簡要綜述。

【關鍵詞】 類器官； 三維培養； 再生醫學； 綜述。

類器官是指在結構和功能上都類似來源器官或組織的模擬物，其為成熟器官來源的三維上皮結構，包含干細胞或祖細胞，能夠獨立擴增并且分化為器官特異性上皮。Lancaster 等[1]認為類器官是源于多能干細胞或器官祖細胞且具有胚層特異性的類器官體，其包含目標器官中至少一種細胞類型，能夠自組裝為器官樣結構并具有其生理結構和功能特征。通過 3D 培養技術在體外利用干細胞或類器官模擬人類器官組織的生理發育過程和誘導致病，并應用于生物醫藥和再生醫學，已成為目前組織工程和再生醫學領域的新熱點。本文就類器官培養的基礎、應用和前景做一綜述。

1 類器官技術簡介

1. 1 類器官形成的基礎
自組裝是類器官形成的關鍵，其是指在無外力干預的條件下，干細胞或多細胞依靠各組分間的相互作用自我分化為多種結構的過程，例如在唾液腺上皮細胞的三維培養中可見自發形成的分支樣或者芽狀結構[2].這一過程的自發形成依賴于生理性的內源機制，并由細胞與基質間以及細胞與細胞間的多種細胞因子及信號通路共同參與。但這一內源機制并非固定不變，時間、空間的變化均可增加其復雜性和多樣性。在類器官形成過程中，關于自組裝的相關調控機制等問題，仍需要進一步深入研究。

1. 2 生物工程輔助技術類器官
類器官自組裝的實現很大程度上依賴于三維細胞培養體系的建立。根據是否為細胞提供支架材料，三維培養體系大體可分為基于支架的培養體系和無支架的培養體系，而支架又分為天然形成和人工合成支架。研究者們發現，生物支架是組織再生的關鍵因素，多種組織細胞可以在生物材料上生長、分化并最終形成人工組織或器官[3]
.生物支架對組織再生的這一作用與支架的組成成分、空間結構、機械及化學特性、釋放生物化學信號及分子信號等性質密不可分。而組織特異性細胞外基質（ extracellular matrix,ECM） 在上述作用方面有獨特優勢。有學者通過誘導胚胎干細胞獲得胰腺祖細胞系，將后者與不同發育時期的胰腺間充質（ 間質組織、間葉組織） 共培養，發現與器官類型匹配的間充質可以使祖細胞擴增一百萬倍以上，并且在擴增、自我更新的同時保持不分化狀態，但同時仍保留其分化能力，因此，該學者認為 ECM 能夠傳遞階段特異性和組織特異性的再生信號[4],但具體機制尚需要進一步的研究。器官存在的微環境還通過隨時間和空間而變化的生物化學信號影響器官再生，所以需要在這方面進一步發展生物工程輔助技術[5].目前，有學者在仿生的聚乙二醇水凝膠上合成了一種特殊蛋白質，而且其蛋白梯度可以人工控制，因而實現分子信號和化學信號在時間和空間上更為精確的釋放； 但這種蛋白梯度是靜態的，且只局限于凝膠表面的二維體系[5].2014 年，加拿大多倫多大學的研究員報道了一種新型數字化微流體平臺，該平臺可在水凝膠材料中培養細胞，然后用電場操縱細胞，使得每個凝膠均可單獨訪問，動態流體交換更加溫和，成本明顯減少，并且可實現信號分子的三維調控； 此外，該研究員提出或許可以收集患者的小組織樣本并將其分布到數字微流體裝置的 3D 凝膠中，進行篩選藥物以確定個性醫療方案，而這將是實現精準醫療理念的重要工具[6]

2 類器官的應用

2. 1 腸類器官 HansClever
課題組證實單一的 Lgr5+干細胞能夠在體外持續增殖并自組裝形成隱窩 - 絨毛樣的小腸上皮結構[7].進一步的研究結果顯示，單個成人 Lgr5+干細胞也能在體外成功擴增成結腸類器官，將這種功能性的結腸上皮移植到硫酸葡聚糖誘導的急性結腸炎小鼠模型中可以修復其受損的結腸上皮[8].這提示利用單一成人結腸干細胞體外擴增進行結腸干細胞治療是可行的[8].有學者還應用人誘導型多能干細胞（ induced pluripotent stem cells,iPSCs） 直接定向分化為小腸組織的方法明確了 Wnt3a 蛋白和成纖維細胞生長因子 4 是后腸特定分化所必需的物質，而且，這種iPSCs體外構建的人體腸道組織中存在的小腸干細胞，也具有小腸特有的吸收和分泌功能[9].這有助于未來人腸道疾病藥物的設計研究，可大大提高了藥物利用率。目前，已有學者構建了小鼠小腸 3D 類器官來進行 P-糖蛋白抑制劑的篩選，為 P-糖蛋白介導的藥物轉運研究提供了強有力的工具[10].

2. 2 肝類器官
2013 年，Takebe 等[11]將人多能干細胞來源的肝細胞、人間充質干細胞和人內皮細胞混合后在基質膠中培養，發現 3 種細胞自組裝成 3D 化肝芽，將該肝芽移植到丙氧鳥苷誘導肝臟衰亡的 TKNOG 小鼠體內后發現這種肝芽可以連接小鼠腸系膜血管，小鼠也出現了人類特有的藥物代謝過程。這為肝臟器官發生的研究提供了有益嘗試。大型哺乳動物的類器官再造工程也許能加速人類器官移植治療和疾病致病機制研究的進展。2015 年，Nantasanti 等[12]利用狗的肝臟干細胞構建了可分化為功能性肝細胞的肝類器官模型，能用于銅潴留癥的治療。貓被認為是非常適用于研究人類代謝性疾病的模型，所以利用貓的膽道組織構建肝類器官，可能是原發性肝膽疾病研究及藥物篩選的有益工具，但至今也未見利用貓建立長期保持基因穩定的肝臟干/祖細胞培養體系的報道[13].

2. 3 胰腺類器官
有學者發現，當控制骨形態發生蛋白 4、堿性成纖維細胞生長因子、激活素 A 和 Wnt3a 的表達水平或使用一些小分子化合物進行干預時，可以控制內胚層細胞向特定的方向分化，最終形成胰腺[14].目前，構建胰島類器官的主要方法包括利用各種干祖細胞產生胰島樣細胞群和利用各種來源的胰腺細胞懸液或胰腺組織塊自組裝成擬胰島體[15].2011 年，Saito 等[16]將人 iPSCs 和胚胎小鼠胰島細胞體外共培養，最后形成能夠產生胰島素的不成熟細胞群，該細胞群由胰島 α 細胞包繞中央的 β 細胞構成，這種結構和成年鼠胰島相似，將其移植到鏈脲菌素誘導的高血糖小鼠模型中后發現小鼠血糖水平得到極大改善。而進一步的體內實驗研究還需要關注如何規避免疫反應、促進再血管化、促進類器官分化發育等問題，在這方面，Sabek 等[17]提出制備納米腺體來促進胰島發揮作用，這種納米腺體是運用 3D 打印技術制作可吸收聚合物膠囊包裹胰島樣細胞團形成的，這可能是未來胰島類器官應用的一種思路。

2. 4 腦類器官
近來，譜系重編程技術為獲取特異性種子細胞提供了新的途徑。Lancaster 等[18]通過加入不同生長因子的方法將人類胚胎干細胞（ embryonic stemcell,ESC） 和 iPSC 在神經培養基 3D 培養出了與 9 ~ 10周胚胎大腦類似的“類大腦”,此類迷你大腦具備人類大腦發育初期的一些主要區域，也出現了背側皮層、腹側前腦等可辨認的特征，但由于缺乏一些特定的特征，如小腦、海馬狀突起等，這些區域無法應用于干細胞模型。之后，該研究者利用小顱畸形患者的皮膚成纖維細胞誘導形成了患者特異性 iPSC 細胞系，并應用后者構建了小顱畸形腦類器官模型，通過對照實驗發現，正常 ESC和該 iPSCs 在類器官形成上并沒有明顯差異，但是后者形成的類器官中有大量未成熟的神經元分化[18],這為大腦發育紊亂類疾病的研究提供了一定的思路。2015年 Kirwan 等[19]應用人 iPSC 體外構建了人大腦皮層神經網絡，能夠模擬人體內皮層網絡的發育和功能，這表明可以在體外通過構建大腦類器官來進行人類前腦神經網絡生理學機制的研究。