浅谈3D 细胞培养系统——类器官培养

2021 年 9 月 21日，美国可塑性和自组织组伯纳索森团队在Nature Communications 杂志发表了研究论文Reconstructing aspects of human embryogenesis with pluripotent stem cells。研究组尝试用 3 维扩增的多能干细胞 (EPSC) 模拟人类早期胚胎发育，以了解人类胚胎发生的背后机制。

一、3D细胞培养

说到 3D 细胞培养系统——类器官培养，想必科研人都有所耳闻。尤其是类器官技术在 2017 年被 Nature Method 评为“生命科学领域的年度技术”后，相关研究发文数量也在飞速增加，从 PubMed 检索近十年的发文量（2011～2021），每年都成倍数增长，不同组织来源的类器官培养成功案例层出不穷，如图 1。

图 1 近十年类器官相关研究发文量及趋势

类器官——《Nature Methods 》（IF：26.919）2017年生命科学领域的年度技术（ Method of the Year 2017 ）

类器官是将多能干细胞或者特定组织的祖细胞进行3D培养，从而形成相应器官的类似组织，具有自我更新和自我组织能力，还维持了其来源组织的生理结构和功能的特点，故有着“瓶皿里的器官”的别称。

经过近 10 年的快速发展，科学家们已经能在实验室利用细胞培育、分化、自组装成各种类似人体组织的 3D 结构，制造出肝脏、胰脏、胃、心脏、肾脏甚至乳腺等在内的各种类器官。英国著名学术期刊《发育》杂志 3 月刊以专版形式，对类器官研究领域进行了全面回顾。模拟体内组织或类器官的三维干细胞衍生构建体，在探测人类生物学和疾病方面散发出了迷人的光彩。

这些由大量细胞簇聚而成的类器官，虽然在很多方面能模拟真实器官内部结构，但某些与真实器官功能和发育紧密相关的结构特性至今还无法拥有，如缺乏血管系统，这是人体器官生长发育中获取能量的重要结构。因此，目前为止，类器官还不能称为真实器官的“缩小版”，仍然是微型和简单的器官模型。

二. 类器官制备的经典路线

三. 类器官的作用和前景

目前类器官的培养主要是指上皮细胞类器官, 如消化道上皮细胞、乳腺上皮细胞、皮肤上皮细胞、肺泡上皮细胞等, 大部分的类器官中只有上皮细胞, 不含有成纤维细胞、免疫细胞、血管细胞等周围基质细胞. 这在很大程度上限制其在其他领域的应用, 如免疫防御的研究、干细胞微环境、肿瘤微环境调控方面的研究. 今后的研究如能把血管内皮干细胞、成纤维干细胞、上皮干细胞等共培养, 将能够最大程度地模拟体内组织微环境; 以「类器官肿瘤药筛选模型」为例，它是最先进入临床也是最具有产业化潜力的类器官应用，有望作为「患者替身」可以在短时间内高效开展患者药敏检测，使个性化的肿瘤用药指导成为可能。

虽然，类器官 3D 培养目前还受培养技术水平、鉴定标准等因素的影响，导致其在培养成功率及应用上受到一定限制，但类器官在基因水平和形态特点上能够很好地模拟患者体内相应的组织, 也适用于高通量的药物筛选, 同时为疾病的个性化治疗提供了研究模型。随着生命科学研究技术的飞速发展，类器官无疑在细胞水平和动物模型之间，为肿瘤领域研究、临床药物筛选以及再生医学等领域提供了一个更好的研究方案，类器官将作为一种理想的模型在人类研究癌症的征途上将会扮演越来越重要的角色。