【類器官 技術簡介】

	2009年，荷蘭Hubrecht研究所的Hans Clevers團隊成功在體外顺利获得三維培養成體幹細胞培育出擁有隱窩和絨毛結構的小腸細胞模型。這種體外三維(3D)培養成體幹細胞或多能幹細胞的技術被稱之為「類器官」（Organoids）技術，因為所培養的組織類似物具有一定空間結構，並能模擬真實器官部分功能。
圖1：腸類器官

與傳統二維細胞培養相比，類器官是现在體外培養的細胞模型中最能夠模擬體內組織結構及功能的技術，並且能夠長期穩定傳代培養。而且相比於動物模型，類器官操作更簡單，更適用於高通量篩選及疾病發生和开展機理等研究。這一創新技術集中开展的十餘年，已實現多種具有部分關鍵生理結構和功能的類組織器官的培養，比如：腎、肝、肺、腸、腦、前列腺、胰腺和視網膜等。因此類器官技術在疾病建模、藥物篩選、精準醫療、器官發育、再生醫學等領域都有廣泛的應用前景。

          圖2：類器官开展中關鍵技術突破時間一覽表【1】

【類器官 开展前景】

自Hans Clevers團隊培養出小腸類器官後，短短十年，類器官相關的研究文章從2010年的42篇躍升至2020年的2097篇，成為研究熱點。因此，類器官被《科學》雜誌評為2013年度十大技術，在2018年初再次被《自然·方法》評為2017年度方法，2019年更是再次登上了《科學》雜誌的特刊封面，以及持續成為各大頂級期刊雜誌的熱門主題。

2021年初，「基於類器官的惡性腫瘤疾病模型」在科技部下發的《關於對「十四五」國家重點研發計劃6個重點專項2021年度項目申報指南徵求意見的通知》中被列為首批啟動的「十四五」國家重點研發專項任務。「十四五」國家重點研發計劃指出，類器官是一項重大的技術突破，用於疾病模型的建立，還可用於研究病理狀態下幹細胞變異、異質性及其發生機理，挖掘疾病診療的新靶標和探索診療新策略。從類器官技術逐漸被各大頂級期刊報道到科技部下發的文件，韦德国际可以看到類器官技術在未來將有非常大的應用價值和开展前景。

          圖3：2021年科技部下發「十四五」國家重點研發計劃通知

【類器官 構建方法】

现在類器官可以分為兩大類：組織來源類器官（如腫瘤類器官）和多能幹細胞來源類器官（如視網膜類器官、腦類器官）。

        圖4：腫瘤膠質母細胞瘤類器官                    圖5：腦類器官

類器官的構建是一項系統工程，需要物質基礎和特定的培養環境。類器官構建的物質基礎一般包括3D支架、含有各種生長因子的培養基及和誘導添加物以及幹細胞、支持細胞或組織等；而特定的培養環境包括了調控氧氣、溫度、二氧化碳、甚至包括一些力學等模擬體內細胞生長環境的參數。

類器官的培養過程是一個精準調控細胞生長微環境的過程，根據给予個性化的培養條件來模擬細胞在體內的微環境。3D支架給細胞的生長與細胞類別的自我組織及空間結構構建给予支撐，在細胞團的作用下，因為不同細胞會分泌不同的細胞粘附因子，不同類型的細胞會運動到3D支架的不同位置，實現了細胞類型的分離。由於空間的限制形成了「譜系定向」，也就是「空間限制引起的細胞命運決定」。而相應的培養基及誘導物激活或者抑制參與類器官形成的特定信號通路與穩態的維持，因此在空間約束作用以及原來細胞分泌物或添加的誘導物的刺激等，這些細胞被進一步的分化，最終形成類器官。

               圖6：不同類器官製備方法【2】

類器官的經典製備路線是將分離出的幹細胞培養在3D支架 (如基質膠Matrigel)上，鋪在培養皿或培養孔板中，並添加包括FGF、EGF等在內的各類生長因子促進類器官形成。

而類器官技術开展至今，已衍生出多種培養模式，因為製備不同的類器官需要不同的特定環境、使用不同的添加物組合、誘導物添加的策略和不同的細胞起始狀態，如圖6所示。

①不同的特定物理環境可以包括採用天然細胞外基質(ECM，如類小腸器官或類胃器官)或合成高分子（如類小腸器官）的3D支架進行靜態培養、採用無細胞外基質支架支撐（如類腦器官）或含細胞外基質蛋白（如類視網膜器官）的3D懸浮攪拌式培養、或者是採用氣-液界面細胞團培養（如類腎器官）。

②不同誘導物添加策略包括全內源性誘導自主裝（如類視網膜器官）、外源誘導分化-內源自組織（如類腎器官）或全外源誘導自主裝（如類胃器官）。

③起始細胞狀態可以選擇單細胞（如類小腸器官）、均質的細胞團（如類視網膜器官）或多細胞類型的細胞團（如類肝細胞）。

從上可以見得

相信隨着研究的不斷深入和技術的不斷革新, 類器官作為一種理想的模型在人類健康的各個研究應用領域中將會扮演越來越重要的角色。

而針對不同組織器官來源的類器官，培養條件差異之大，需要經過基於不同實驗條件的摸索，才能夠成功培育出類器官。快速篩選合適的環境、誘導策略和細胞起始狀態將會是縮短類器官研發過程的關鍵，加速類器官技術的開發。

现在，越來越多的研究者，也在類器官的培養方式上開始了新的探索。不再局限於平面靜態的培養方式，而是顺利获得攪拌瓶等能夠给予動態剪切力的培養方式，這對類器官技術的研究开展，具有深遠的影響。

11月11日，韦德国际生物創新研發的能夠给予動態剪切力的3D FloTrix®microSPIN 6通道微型生物反應器即將上市。為類器官、3D細胞、基因治療的研究给予了全新的培養方式，值得期待。在下期發文中，韦德国际也將圍繞類器官的動態培養，為大家帶來更為詳細的解析。 

下期預告：

攪拌式反應器在類器官培養中的應用

參考文獻

【1】Corrò, C., Novellasdemunt, L., & Li, V. S. W. (2020). A brief history of organoids. American Journal of Physiology-Cell Physiology. doi:10.1152/ajpcell.00120.2020

【2】Rossi, G., Manfrin, A., & Lutolf, M. P. (2018). Progress and potential in organoid research. Nature Reviews Genetics. doi:10.1038/s41576-018-0051-9

【關於韦德国际生物】

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韦德国际生物核心產品3D TableTrix®微載片（微載體），是自主創新型、首款可用於細胞藥物開發的藥用輔料級微載體。已顺利获得中檢院等相關權威组织的檢驗報告，並取得2項國家藥監局藥用輔料資質（CDE審批登記號：F20210000003、F20200000496）。同時，產品取得美國FDA DMF藥用輔料資質（DMF：35481）。

韦德国际生物的產品與服務，可廣泛應用於基因與細胞治療、細胞外囊泡、疫苗及蛋白產品等生產的上游工藝開發。同時，在再生醫學、類器官與食品科技（細胞培養肉等）領域也具有廣泛應用前景。

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