— 一篇全面的文章，加深您对类器官的理解。
类器官简介
类器官是通过体外三维培养而形成的具有生理功能的三维结构，可模拟体内器官或组织的正常（或患病）状态。简单来说，类器官是在基质凝胶中培养干细胞的三维细胞培养物。在化学抑制剂/激活剂、细胞因子和培养添加剂的作用下，类器官会发育成与相应器官相似的组织结构。
类器官的特征
类器官具有自我更新能力，可保持源组织的生理结构和功能。它们通常被称为“培养皿中的微器官”。利用干细胞的自我更新、分化和自组织能力，类器官可以冷冻保存以用于生物库，并且可以无限扩增。类器官非常复杂，与二维细胞相比，更接近体内状态。
图 1. 人结肠腺癌细胞的类器官培养[1]
类器官的应用
类器官的显著特点是能够更好地模拟体内环境，适合用于分子和细胞生物学分析。类器官弥补了动物和细胞水平之间的差距，为肿瘤研究、药物筛选、再生医学等领域的研究提供了卓越的解决方案。它们已广泛应用于功能组织诱导、疾病模型建立、药物筛选、抗炎测试、临床研究等各个研究方面，在基础研究和转化应用方面都显示出巨大的潜力。
随着类器官培养系统和实验技术的不断发展，类器官已被用于各种组织和器官，包括肠（小肠/结肠）、胃、肝、心脏、肺、前列腺、胰腺、肾、乳房、类脑结构、视网膜、内耳等。
来源于肿瘤干细胞的类器官在理解肿瘤发生发展机制、筛选药物敏感性、促进精准医疗和个性化诊断等方面表现出了巨大的潜力。Cell和Science等多篇文章表明，类器官在预测抗癌药物疗效方面表现出很高的灵敏度和特异性。近期，肿瘤类器官在预测患者对癌症药物的反应、协助制定个性化治疗方案方面也展现出了其作用。
研究发育机制：类器官的分化能力使其适合研究胚胎发育过程和机制。由 Wnt 和 BMP 等信号通路调控的诱导过程可用于研究大脑、胰腺和胃等器官的发育 [2][3][4]。
建立疾病损伤模型：从特定组织或器官诱导的类器官可用于研究特定疾病的模型。赵兵、林新华团队利用人类器官感染模型研究了新冠病毒感染和肝损伤的分子机制，为研究病毒致病机制和后续药物研发提供了重要工具[5]。北京大学生命学院邓宏奎课题组利用小分子和细胞因子诱导构建了一种具有损伤再生特征的新型肠道类器官——Hyper Organoid。该类器官可长期传代扩增，维持基因组并促进结肠组织损伤的修复，减轻急性结肠炎动物模型的病理症状等[6]。
再生医学：干细胞衍生的类器官可以修复或替换受损或患病的组织，以恢复正常的组织功能。它们在细胞治疗中有着广泛的应用，包括用于治疗其他神经退行性疾病、糖尿病、心血管疾病、视网膜疾病、脊髓损伤等。作为再生医学领域的一种新型治疗方法，DA01 使用 SB-431542、LDN193189、CHIR-99021、Y-27632 和 Sonic Hedgehog (Shh) 蛋白等小分子，刺激多能干细胞分化为多巴胺能神经元。然后将这些神经元移植到晚期帕金森病患者大脑的受伤区域，为治疗该疾病提供了新的方向和方法 [7]。
药物毒性及疗效测试：类器官可用于验证新药在特定器官或组织中的药理毒性，为新药研发提供数据支持。利用Hyman肾类器官验证顺铂的肾毒性就是一个例子[8]。
药物筛选：干细胞来源的类器官可用于体外测试药物反应，为药物筛选提供理论支持。结肠类器官可用于研究CFTR突变患者的用药方案，肿瘤类器官可用于评估患者的个体化用药情况[9]。
类器官的发展历史
类器官的来源
正常的类器官主要来源于干细胞，包括多能干细胞（PSC）和成体干细胞（ASC）。多能干细胞包括胚胎干细胞（ESC）和诱导性多能干细胞（iPSC）。与多能干细胞相比，成体干细胞的优点是建模更简单、速度更快，但缺点是构建的类器官结构相对较简单。由多能干细胞构建的类器官结构更为复杂。
| 类器官 | 生物活性分子 | 细胞因子 |
| 小肠 | Y-27632、SB-202190、83-01、胃泌素、烟酰胺 | 表皮生长因子、诺金、R-Spondin 1、Wnt-3a |
| 胃 | Y-27632、SB-202190、83-01、胃泌素 我、烟酰胺 | 成纤维细胞生长因子-10、表皮生长因子、诺金、R-Spondin 1、Wnt-3a |
| 肝 | Y-27632、83-01、达卡巴嗪、福斯高林、胃泌素、烟酰胺、前列腺素 E2 | 步兵战车、表皮生长因子、FGF-基础型 、成纤维细胞生长因子-10、肝细胞生长因子、诺金、Wnt-3a |
| 肾 | CHIR-99021、维甲酸 | 步兵战车、步兵战车、步兵战车-7、FGF-基础型、成纤维细胞生长因子-9 |
| 肺 | CHIR-99021、SB-431542 | 激活素A、FGF-基础型、成纤维细胞生长因子-4、诺金 |
| 胰腺 | 胃泌素、83-01、烟酰胺 | 成纤维细胞生长因子-10、表皮生长因子、诺金、R-Spondin 1、Wnt-3a |
|
| Y-27632、SB-202190、83-01、烟酰胺、前列腺素 E2、睾酮 | 表皮生长因子、激活素A、FGF-基础型、成纤维细胞生长因子-10、诺金、R-Spondin 1、Wnt-10b |
| 胸部 | Y-27632 | 这里顾林β-1、R-Spondin 1、R-Spondin 2、诺金、表皮生长因子、 FGF-基础型、成纤维细胞生长因子-10、Wnt-3a、催乳素 |
| 视网膜 | CHIR-99021、Y-27632 | 嘘嘘、Wnt-3a |
| 内耳 | SB-431542、83-01 | 步兵战车、 FGF-基础型 |
| 脑 | Y-27632、MK-2206、GDC-0068、多索吗啡肽 | FGF-基础型、诺金、DKK-1、 表皮生长因子、脑源性神经营养因子、胶质细胞源性神经营养因子 |
类器官培养中常用的小分子（总结）：超级实用，别忘了收藏！
❶ Y-27632（Cat#53006ES、Cat#52604ES）：Rock 的强效抑制剂，通过 ATP 竞争性抑制 p160ROCK（Ki=140 nM）和 ROCK-II（IC50=800 nM）。它还抑制 PRK2 (IC50=600 nM)。通常在平板培养中第一次接种时添加；后续培养基更换可能不需要添加。用 Y-27632 (10 µM) 处理人类胚胎干细胞 1 小时可抑制细胞凋亡、提高克隆效率并延长细胞传代时间。
建议工作浓度：10 μM
❷ SB-202190（Cat#53005ES）：一种有效的 p38 MAPK 激酶抑制剂，靶向 p38α/β。SB202190 可诱导人类胚胎干细胞分化为心肌细胞，促进神经干细胞自我更新，适用于胃肠道和乳腺类器官的培养。
建议溶解浓度：将10mg溶解于3.018mL DMSO中，得到10mM溶液；保存于-20℃。
建议工作浓度：10 μM
❸ CHIR-99021（Cat#53003ES）：一种氨基嘧啶衍生物，可作为 GSK-3（GSK3α/β）抑制剂。它可诱导人类胚胎干细胞分化为内胚层，并用于肾脏和视网膜类器官培养。CHIR-99021 与其他试剂结合使用时，可刺激体细胞重编程为干细胞。
建议溶解浓度：将5mg溶解于3.58mL DMSO中，得到3mM溶液；储存于-20℃。
建议工作浓度：3 μM
❹ A 83-01（Cat#53002ES）：一种 Activin/NODAL/TGF-β 通路抑制剂，可抑制 ALK5/4/7 激酶活性。通常用于肝脏、前列腺和乳腺类器官的培养。它常用于抑制诱导性多能干细胞 (iPSC) 的分化并维持细胞在体外的自我更新。
建议溶解浓度：将5mg溶解于5.93mL DMSO中，得到2mM溶液，保存于-20℃。（注意：本品溶液不稳定，建议配制后立即使用。）
建议工作浓度：2 μM
❺ 胃泌素 I (Cat#53007ES)：胃泌素是一种内源性胃肠肽类激素，可刺激胃壁细胞分泌胃酸，是胃肠道类器官研究的关键，在培养肠道和肝脏类器官时，添加胃泌素有助于延长类器官的存活时间。
建议溶解浓度：将1 mg溶于2.38 mL 1％氨溶液中，得到0.2 mM溶液；保存于-20℃。
建议工作浓度：10 nM
❻ 烟酰胺 (Cat#51402ES)：烟酰胺是一种 B3 维生素，参与各种酶促氧化还原反应，用于培养胃肠道、肝脏和乳腺类器官。烟酰胺与细胞因子和其他生化试剂结合，具有抗炎特性，促进间充质干细胞分化为胰岛素产生细胞，抑制 sirtuins 活性，并用于促进类器官形成和延长类器官寿命。
建议溶解浓度：将100mg溶解于8.19mL H2O（或DMSO）中，得到100mM溶液；储存于-20℃。
建议工作浓度：10 mM
❼ 福斯高林（Cat#51001ES）：福斯高林可激活腺苷酸环化酶，常用于提高细胞内 cAMP 水平。福斯高林可诱导多种细胞类型分化，激活 PXR 和 FXR，具有抗血小板聚集和降压作用。培养肝类器官时，必须添加此物质。
建议工作浓度：1-10 μM
❽ 前列腺素 E2 (Cat#60810ES)：前列腺素 E2 (PGE2) 调节许多生理系统，介导细胞增殖和分化。它是培养肝脏和前列腺类器官时所必需的，并且与平滑肌松弛、炎症、繁殖、睡眠周期调节和胃粘膜完整性有关。
建议溶解浓度：将1mg溶解于0.28mL DMSO中，得到10mM溶液；保存于-20℃。
建议工作浓度：500 nM
❾ N-乙酰-L-半胱氨酸（Cat#50303ES）：N-乙酰-L-半胱氨酸（NAC）是抗氧化剂谷胱甘肽的前体，具有抗氧化和ROS抑制作用。它可抑制神经元细胞凋亡，是大多数类器官培养过程中所必需的。
建议溶解浓度：将2g溶解于24.51mL H2O（或DMSO）中，得到500mM溶液；保存于-20℃。
建议工作浓度：1 mM
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| 人类BMP-2 | 92051ES10 | 10μ克 |
参考：
[1] Sato T、Stange DE 等人。来自人类结肠、腺瘤、腺癌和巴雷特上皮的上皮类器官的长期扩增。 Gastroenterology。2011 年 11 月；141(5):1762-72。doi: 10.1053/j.gastro.2011.07.050。2011 年 9 月 2 日电子版。PMID: 21889923。
[2] Lancaster MA, Renner M 等。脑类器官模拟人类大脑发育和小头畸形。《自然》。2013.501(7467):373-379。 http://dx.doi.org/10.1038/nature12517。
[3] Greggio C 等. 人工三维微环境解析胰腺体外发育. Development. 2013.140(21):4452-4462. http://dx.doi.org/10.1242/dev.096628。
[4] McCracken KW 等。在多能干细胞衍生的胃类器官中模拟人类发育和疾病。《自然》。2014.516(7531):400-404。 http://dx.doi.org/10.1038/nature13863。
[5] Zhao B, Ni C, et al. 用人肝导管类器官重现 SARS-CoV-2 感染和胆管细胞损伤。Protein Cell。2020 年 10 月；11(10):771-775。doi: 10.1007/s13238-020-00718-6。PMID：32303993；PMCID：PMC7164704。
[6] Qu M, Xiong L 等。建立模拟损伤相关上皮再生的肠道类器官培养物。Cell Res。2021 年 3 月；31(3):259-271。doi: 10.1038/s41422-020-00453-x。电子版 2021 年 1 月 8 日。PMID：33420425；PMCID：PMC8027647。
[7] BlueRock Therapeutics 宣布在针对晚期帕金森病患者的 1 期研究中，首位患者接受了 DA01 治疗。BlueRock Therapeutics 新闻稿：2021 年 6 月 8 日。
[8] Takasato M, Er PX 等。来自人类 iPS 细胞的肾脏类器官含有多种谱系并模拟人类肾脏发生。《自然》。2015.526(7574):564-568。 http://dx.doi.org/10.1038/nature15695。
[9] Spence JR, Mayhew CN, 等. 人类多能干细胞体外定向分化为肠道组织。 自然。2011.470(7332):105-109。 http://dx.doi.org/10.1038/nature09691。