類器官 organoids

2013年類器官技術入選《Science》10大年度科學突破
 
2017年類器官技術被《Nature Methods》評選為生命科學領域的年度技術（Method of the Year 2017）
 
 

類器官是源自原代組織或干細胞的體外衍生 3D 細胞聚集體，它們能夠自我更新、自我組織并表現出器官功能。類器官通過提供以下功能來解決現有模型系統的局限性：

• 與原代組織相似的組成和結構：類器官含有少量自我更新的干細胞，這些干細胞可以分化成所有主要細胞譜系的細胞，其頻率與生理條件下相似。
• 體內條件的相關模型：類器官在生物學上與任何模型系統都更相關，并且可以操縱生態位成分和基因序列。
• 擴展培養的穩定系統：利用干細胞的自我更新、分化能力和內在的自組織能力，類器官可以作為生物庫冷凍保存并無限擴展。

類器官屬于三維（3D）細胞培養物，包含其代表器官的一些關鍵特性。此類體外培養系統包括一個自我更新干細胞群，可分化為多個器官器官特異性的細胞類型，與對應的器官擁有類似的空間組織并能夠重現對應器官的部分功能，從而提供一個高度生理相關系統
類器官的優勢

• 與細胞系相比，具有組織結構和器官功能，能最大程度模擬人體器官；
• 取材廣泛，采集胸腹水和穿刺活檢組織也能完成，大部分人體組織器官能在體外培養成組織類器官，而且不存在倫理問題；
• 類器官體外培養成功率高，培養速度快，適合大規模擴增，長期培養仍能保持基因組穩定；
• 體外3D類器官能用于體內移植，有望解決器官修復再生問題；
• 腫瘤類器官用于指導臨床用藥，周期短、數據分析簡單，重要的是類器官藥物敏感性數據較測序結果更加準確；
• 與基因編輯技術結合，能夠實現器官水平上的基因改造。

類器官的培養過程
下圖顯示了由具有 Matrigel 基質的人類多能干細胞生成的腦類器官的示例示意圖。

腦類器官培養系統。 (A) 用于生成大腦類器官的培養系統示意圖。顯示了每個階段的示例圖像：bFGF，堿性成纖維細胞生長因子； hES，人類胚胎干細胞； hPSCs，人類多能干細胞； RA，視黃酸。 (B) 類器官和小鼠大腦結構之間的比較表明背側皮質組織的重演。大背側皮層區域神經元（綠色）和放射狀膠質干細胞（紅色）的免疫組織化學。 (C) 切片和免疫組織化學顯示復雜的形態學具有包含神經祖細胞 (紅色) 和神經元 (綠色) 的異質區域。 (D) 低倍明場圖像顯示充滿液體的空腔，讓人聯想到心室和視網膜組織。【來源Lancaster, et al., 2013】
 
類器官與球體細胞的區別
類器官和球體都是 3 維培養的細胞。球體通常由癌細胞系或腫瘤活檢形成，作為超低附著板中自由漂浮的細胞聚集體，而類器官來自嵌入在 ECM 水凝膠基質（如 Matrigel）中的組織干細胞。與球體相比，類器官高度復雜，并且更像體內。最近，腫瘤類器官已顯示出可以預測患者對癌癥藥物的反應程度，以幫助個性化醫療。
 
類器官發展歷程

當代類器官的發展成果，主要集中在近十余年。

• 2007年，Hans Clevers 的實驗室通過 lineage tracing 驗發現小腸和結腸的干細胞為 Lgr5+細胞。
• 2009年，Hans Clevers實驗室使用單個鼠LGR5+腸干細胞在體外自組織成為具有腸隱窩-絨毛結構的腸類器官。
• 2011年，由人多能干細胞和原代成體干細胞發育而來的腸類器官被成功制作。同年，由鼠胚胎干細胞培育而來的視網膜類器官被首次成功培育。
• 2012年，由人多能干細胞發育而來的視網膜類器官成功培育。
• 2013年，由人多能干細胞發育而來的腦類器官被成功培育。肝、腎、胰類器官被成功培育。
• 2014年，前列腺、肺類器官被成功培育。
• 2015年，乳腺、輸卵管、海馬體類器官被成功培育。
• 2020年，蛇毒液腺類器官被成功培育。

 
類器官在研究中的作用

類器官和球體在許多方面顯示出巨大的潛力應用，包括疾病模型、藥物毒理、個性化篩藥、腫瘤發生機制研究、新藥篩選、宿主病原體相互作用、基因或細胞療法、干細胞與再生醫學。
 
 
 
 
 


類器官的未來發展趨勢

  自 2008 年以來關于類器官技術的論文數量。關注大腦類器官的論文數量（藍色）顯示為基于該技術的已發表作品總數的函數（綠色趨勢線，右手次軸）。展示了關注肝臟（紅色）和腸道（灰色）類器官的論文以進行比較。 （來源：PubMed）。
類器官可以在未來通過多種方式改變病理學的研究和臨床護理。在未來幾年中轉化研究實驗室中使用類器官能夠得到大幅擴展；對關鍵的腫瘤內在和腫瘤外在過程進行建模，在一個既可操作又保留體內腫瘤重要特征的系統中進行體外試驗。類器官的基因組操作將成為癌癥遺傳學體外功能研究的關鍵工具。此外，類器官培養技術可能會顯著擴展正常組織、癌前病變和罕見腫瘤類型的體外模型的可用性，提供強大的工具來模擬以前未研究的疾病。臨床上，類器官藥物分型可能成為某些腫瘤治療選擇的廣泛可用工具類型和在臨床實驗室中生長的類器官可以為分子分析提供純材料推動治療決策。因此，在未來腫瘤衍生的類器官是一個重要的工具通過它來提高我們對癌癥的理解，并通過擴展治療癌癥患者。

全球類器官服務供應廠商
  目前國外根據ResearchAndMarkets.com的一份報告顯示，在以STEMCELL Technologies、Definigen、3Dnamics Inc、Organoid Therapeutics、PeproTech, Inc、THERMO FISHER SCIENTIFIC INC等公司為代表的類器官企業的帶領下，2019年北美類器官市場達到2.9139億美元，預計將在2027年達到14.0647億美元，將以21.7％的復合年增長率增長。
   目前國內類器官服務提供公司還較少主要集中在新興公司上，融資規模較小大部分公司還停留在A輪和天使輪融資上。目前國內由丹望醫療、北京科途醫學為首的多家公司已經開始在該領域積極布局，其余提供類器官服務的公司有五元生物、威高海星、佰傲再生醫學、精科生物、斯德姆生物科技、納通生物等（來源https://www.tianyancha.com/bran
dsearch/bc23311322543）