2022年12月底，美国总统拜登签署法案，新药无需在动物身上进行测试也可以获得美国食品和药物管理局（FDA）的批准。2023年1月10日，《Science》发文，FDA不再要求新药研制进行动物实验。这样一个法案的签署对于新药研发过程无疑是一项巨大的变革，FDA逐渐倾向于计算机模拟、类器官芯片发展。2022年8月，FDA批准了全球首个完全基于类器官芯片研究获得的临床前数据新药（NCT04658472）进入临床试验。一时间，类器官的概念进入了大众的视野，也争相成为国内外课题组研究方向的热点。因此，本篇推文小编将结合一篇综述来向大家介绍类器官究竟为何物以及类器官未来在药物研发过程中的应用前景。
类器官（Organoids）指利用成体干细胞或多能干细胞进行体外三维（3D）培养而形成的具有一定空间结构的组织类似物。作为一项重大的技术突破，3D类器官模型从疾病发病机理的机制研究到治疗为理解人类疾病的复杂性提供了一种有前途的方法。在体外培养3D类器官模型之前我们一定要搞清类器官的来源，类器官主要来源于人或动物组织样本中分离的成体干细胞（ASCs）或诱导多能干细胞（iPSCs）中生成(图1-A)。类器官的主要培养方法为Submerged Culture（图1-B-a）、Air-Liquid Interphase technique(图1-B-b)以及Bioreactor(图1-B-c)。其中，Submerged Culture主要应用于胃肠道类器官的培养。Air-Liquid Interphase technique方法中，类器官在内皿中生长，培养基置于内皿下。这项技术被广泛应用于呼吸和肾脏类器官的发育。此外，该技术也被用于研究类器官与肿瘤微环境的相互作用。深层培养和ALI方法的缺点在于一旦类器官达到特定大小，营养物质的可用性就会受到限制。Bioreactor (3D悬浮培养)可以克服这一限制，提高类器官的营养可用性。该技术主要用于脑类器官。在类器官培养的过程中，基质是另一种重要的材料，它推动细胞的自组织向特定结构发展，并导致类器官的生长。被充分探索用于类器官生成的有希望的基质有:(a)天然细胞外基质(ECM)， (b) Matrigel：来源于小鼠肉瘤，(c)合成基质。生物工程的进步已经设计了各种合成基质，这些基质提供了时空可控的3D基质，可以用来为类器官提供所需的结构（图1-C）。常见的类器官培养基配方详见表1。类器官培养的另一个主要挑战是缺乏功能性血管，缺乏功能性血管会导致类器官发育不成熟、内核坏死和过早分化。类器官血管化可以提供一种接近生理的方式为类器官细胞提供营养。研究类器官血管网络的常用技术有:(a)将类器官植入血管化组织中，(b)在两层内皮细胞之间共培养类器官，这进一步导致类器官中血管芽的产生（图1-D）。.在iPSCs/ESCs中，细胞首先经过控制分化为特定的器官细胞类型，然后与基质混合形成器官特异性类器官。图1-E解释了从组织切片或iPSCs/ESCs中生成类器官的总体方法。同时，科学家们还将CRISPR/Cas9技术与类器官技术进行了很好的结合，虽然目前该技术还处于最初的阶段。CRISPR可以用于疾病表型建模，同时科学家们也开始在在类器官中探索全基因组CRISPR筛选。CRISPR系统也可用于将报告基因序列引入类器官基因组。在CRISPR的帮助下，已经生成了荧光标记的肾类器官，以揭示肾元祖细胞在肾形成中的作用。1.类器官可以用于了解疾病或正常情况下细胞的代谢组学调节或营养转运机制（图2-A）；2. 肠道类器官可用于研究肠道微生物组对细胞生理和生长的影响。目前，科学家们探索了不同的培养技术来研究类器官中的肠道微生物组:显微注射涉及在类器官的顶端表面注射肠道微生物或肠道微生物组衍生的代谢物；将类器官和肠道微生物与基质混合，在ECM基质中一起培养；将微生物置于类器官培养基中，将类器官与肠道微生物共培养（图2-B）；3. 类器官是通过与疾病相关的病毒或微生物与类器官共培养来研究传染病的有用工具（图2-C）；4. 类器官为了解细胞生态位或微环境在细胞生长和分化中的作用提供了良好的平台。探索了将类器官与肿瘤微环境细胞一起包埋在基质中或在培养基中添加微环境因子或通过气液间相来研究类器官的细胞生态位（图2-D）；5. 在药物筛选和个性化医疗中，患者来源的类器官可以帮助确定针对特定疾病或每个患者的特定或者**药物（图2-E）。常见的类器官高通量筛选方法见图3。类器官的高通量测序方法:高通量测序方法已在类器官中广泛探索，以研究癌症或其他疾病期间的不同分子机制。(1)肿瘤类器官的RNA测序和单细胞RNA测序用于分析肿瘤发生或转移过程中细胞的总转录组状态。(2)通过质谱对类器官进行蛋白质组学分析，说明疾病与正常期间各种蛋白质的变化。(3)类器官的ChIP-Seq或ATAC seq分析显示出不同的表观遗传谱。(4)患者来源的类器官被广泛用于研究肿瘤发展过程中的突变景观或负荷。Kras、TP53、APC等多种突变及其在肿瘤类器官中的致癌功能已被研究。(5)类器官的全外显子组测序用于了解基因蛋白质编码区域的变化或突变。尽管类器官在生物学的各个领域得到了广泛的应用，但仍有一些疾病的类器官培养技术尚未被探索或仍处于起步阶段。大多数神经发育或神经精神疾病，如精神分裂症、帕金森或自闭症，大多使用动物模型系统进行研究。自闭症谱系障碍或帕金森氏症等疾病构成临床异质性(包括癫痫、睡眠中断和运动障碍)，使得使用类器官培养系统进行调查变得困难。然而，研究人员已经开始制定方案，以产生更成熟和复杂的脑类器官，可以积极用于神经精神病学研究。此外，类器官可用于了解疾病，例如与大脑早期发育阶段相关的发展性脑损伤和障碍(DBD)。许多疾病已被证明与干细胞有关。然而，科学家们仍然困惑于异常是如何在干细胞中发生的，或者他们如何知道它必须制造哪一种特殊的细胞。因此，类器官系统可以用来回答干细胞在肺气肿等疾病中的参与，肺气肿是一种肺部疾病，肺干细胞无法修复损伤。
此外，科学家们还提出了使用类器官来筛选能够形成专门细胞类型的药物的想法，以治疗遗传性疾病，如囊性纤维化，其中清除肺部粘液的纤毛细胞不能正常工作。可以从囊性纤维化患者的组织中生成类器官，然后开发一种药物，可能使纤毛细胞在类器官培养系统中更好地工作。由于科学家们已经开发出了与不同免疫细胞共培养类器官的技术，类器官培养技术也可以用于了解自身免疫性疾病的机制和筛选药物。此外，类器官技术的应用可以用于肿瘤类器官的免疫治疗研究，其中来自健康供体的T淋巴细胞可以被患者来源的类器官激活和扩增。因此，由多能干细胞产生的类器官模拟早期胚胎器官，同时包含上皮细胞和间充质细胞[20]。最近对类器官的研究已被用于研究肺和肠的纤维化机制。使用相同的方案，类器官也可以用于研究其他器官的纤维化，如肝脏和肾脏。虽然还处于起步阶段，但科学家们已经开始考虑将类器官技术应用于上述疾病。
Rauth S, Karmakar S, Batra SK, Ponnusamy MP. Recent advances in organoid development and applications in disease modeling. Biochim Biophys Acta Rev Cancer. 2021 Apr;1875(2):188527. doi: 10.1016/j.bbcan.2021.188527. Epub 2021 Feb 26. PMID: 33640383; PMCID: PMC8068668.
文章来源：BiG生物创新社
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