类器官技术是一种前沿的生物医学研究方法，它能够在体外构建出具有三维多细胞结构的组织，这些组织在形态和结构上与真实的器官相似，并能部分模拟来源组织或器官的生理功能。类器官为研究者提供了一个独特的平台，允许科学家深入探究组织对药物作用、损伤以及基因突变的反应机制。尽管类器官并不等同于人体内的器官，但它们在结构和功能上的模拟能力，为长期稳定的体外培养和深入的生物学研究提供了可能。

类器官是由多能干细胞或成体组织通过自组织过程在体外形成的器官特异性细胞类型。类器官的三个特征：

• 细胞能够通过空间组织和细胞特异化自行组织，重现原始器官功能；
• 含有一种以上与原始器官相同的细胞^]；
• 能够再现原始器官的某些功能，例如：过滤，排泄，神经链接以及收缩功能等。

类器官的发展历史

2009年，荷兰Hans Clevers 实验室使用来自小鼠肠道的成体干细胞培育出首个具有肠隐窝-绒毛结构的肠类器官，在《Nature Reviews》杂志上发表了一篇题：“Organoids in immunological research”的综述，开创了类器官研究的时代。2013年，类器官被《科学》杂志评为年度十大技术。2018年初，类器官被评《自然·方法》评为2017年度方法。2021年1月，我国科技部发布“十四五”国家重点研发计划，将“类器官与人源化动物模型”列为重点研究方向，拟建立包括类器官在内的多种疾病模型，以发掘疾病诊疗新靶标，探索诊疗新策略。

《「十四五」国家重点研发计划「干细胞研究与器官修复」重点专项 2021 年度项目申报指南》（征求意见稿）部分内容

当代类器官的发展成果，主要集中在近十余年

• 2009年，Hans Clevers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。
• 2011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。
• 2020年，利用老鼠胚胎干细胞开发出三维功能性心脏类器官。
• 2021年，利用人类多能干细胞成功培养出全球首个体外自组织心脏类器官模型，来源于胎盘的滋养层类器官构建成 功；人类诱导多能干细胞（ipsCs）衍生的大脑类器官切片模型构建成功，胆管类器官构建成功。
• 2022年， 膀胱癌类器官构建成功。

心脏类器官构建 来源：Cardioids reveal self-organizing principles of humancardiogenesis

如何构建类器官模型

目前类器官分为两类：组织来源类器官和多能干细胞来源类器官。

（1） 组织来源：分为正常组织或肿瘤组织衍生的类器官。

• 正常组织来源：由成体干细胞（Adult stem cell，ASC）刺激分化形成类器官。通常来源于患者的活检组织，其分化能力十分有限，一般仅含有器官的上皮部分，缺乏基质、神经和血管系统。
• 肿瘤组织来源：指将患者活检、穿刺或手术切除组织在基质胶中培养数周得到的类器官。

（2） 多能干细胞来源：人类多能干细胞（Pluripotent stem cell，PSC）具有无限自我更新的能力，并且可以分化为几乎所有器官特异性的细胞类型。

• 多能干细胞衍生的类器官又可以包含了胚胎干细胞（Embryonic stem cell，ESC）和诱导多能干细胞（Induced pluripotent stem cell，iPSC）两类。其中，胚胎干细胞因涉及伦理问题使用受限。

心脏类器官构建  数据来源：唯创博精实验室

类器官的培养过程是一个精准调控细胞生长微环境的过程，根据提供个性化的培养条件来模拟细胞在体内的微环境。

• 不同的特定物理环境，可以包括采用天然细胞外基质（ECM，如类小肠器官或类胃器官）或合成高分子（如类小肠器官）的3D支架进行静态培养、采用无细胞外基质支架支撑（如类脑器官）或含细胞外基质蛋白（如类视网膜器官）的3D悬浮搅拌式培养、或者是采用气-液界面细胞团培养（如类肾器官）。
• 不同诱导物添加策略，包括全内源性诱导自主装（如类视网膜器官）、外源诱导分化-内源自组织（如类肾器官）或全外源诱导自主装（如类胃器官）。
• 起始细胞状态，可以选择单细胞（如类小肠器官）、均质的细胞团（如类视网膜器官）或多细胞类型的细胞团（如类肝细胞）。

数据来源：唯创博精实验室

类器官的应用

得益于其广泛的组织类型、长期扩展能力和生理3D结构，类器官正在成为许多生物医学研究中的主流细胞培养工具之一，也成为了许多生物学和临床应用的强大新技术。

目前，类器官已广泛用于包括发育生物学、疾病建模、精准医学、再生医学、毒理学、药物发现研究、宿主-微生物组相互作用、基因编辑、多组学和系统发育研究等方向。

图3. 类器官及应用  图片来源：https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.05.043       Stem Cells: A Renaissance in Human Biology Research