類器官

在過去十年，幹細胞研究領域取得的關鍵進展之一就是類器官體系的發展。此類體外培養系統包括一個自我更新幹細胞羣，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並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係統 ^[1-4]  。含有成體幹細胞的組織樣本、單一成體幹細胞或者通過多能幹細胞的定向誘導分化都能夠產生類器官 ^[3-4]  。由於部分類器官模型系統特徵是具有活性幹細胞羣的存在，類器官能夠極大地實現擴增。例如，在5到6周的時間內，一個單一祖細胞能夠產生高達1 x 10^6個肝臟類器官，為研究人員提供了研究各種器官的高度可靠和可擴展的平台 ^[4-5]  。

迄今為止，三個主要細胞譜系都已經發展出對組織結構進行建模的類器官培養系統 ^{[3-4]  [6]}  。雖然不同的組織需要對應的特定培養方法，但是一般來説，將適當的多能幹細胞或者特定組織的祖細胞嵌入Matrigel®或者其他適當的細胞外基質中，培養基則使用含有特定生長因子的細胞培養基模擬維持幹細胞羣所需的體內信號。在此生長條件下，嵌入的細胞增殖並自我組織成3D類器官結構，並在許多系統中可進行無限期傳代和維持培養 ^{[1]  [7]}  。此外，在傳代的過程中，這些培養物顯示出高度的遺傳穩定性；之前的單一肝臟祖細胞經過克隆性擴增所生成的肝類器官，在經過三個月的傳代後，全基因組測序顯示僅出現了一個同源鹼基的替換 ^[8]  。類器官培養已用於各種組織，其中包括腸道 ^{[5]  [9-10]}  、肝臟 ^[11-12]  、胰腺 ^[13]  、腎臟 ^[14]  、前列腺 ^[15-16]  、肺 ^[17-18]  、視杯 ^[19]  以及大腦 ^[20]  。

雖然類器官技術在研究界的廣泛應用依然處於起步階段，但是作為一種工具，類器官技術在研究廣泛的對象方面潛力巨大，包括發育生物學、疾病病理學、細胞生物學、再生機制、精準醫療以及藥物毒性和藥效試驗。對於這些應用以及其他應用，類器官培養實現了對現有2D培養方法和動物模型系統的高信息量的互補 ^{[4]  [7]  [21-22]}  。此外，通過類器官繁殖的幹細胞羣取代受損或者患病的組織，類器官提供自體和同種異體細胞療法的可行性，未來這一技術在再生醫學領域也擁有巨大的潛力 ^[23-24]  。使用這項技術，採用CRISPR/Cas9能夠糾正體外遺傳異常並能夠將健康的轉基因細胞再次回輸入患者體內，並在後期整合入組織內 ^[25-26]  。在精準醫學應用中，患者衍生的類器官也被證明為有價值的診斷工具。在進行治療之前，採用從患者樣本來源的類器官篩查患者體外藥物反應，旨在為癌症和囊胞性纖維症患者的護理提供指導並預測治療結果 ^{[10]  [27-28]}  。隨着類器官培養系統以及其實驗開發技術的不斷髮展，類器官應用到了各大研究領域。