前言
类器官（organoids）是近年来生命科学领域一项令人瞩目的突破。这种新兴的研究模型不仅为疾病研究和药物筛选提供了强大的工具，还在再生医学等领域展现了巨大的潜力。类器官（英语：Organoid）是体外培养生成的立体细胞团，是特定器官的迷你简化版本，模仿该器官的关键功能、结构和生物复杂性。
类器官的培养可以起源于胚胎干细胞或者成体干细胞等多能性干细胞、人工诱导性多能干细胞以及癌症干细胞，这些细胞的自我更新以及分化潜能赋予其在立体培养条件下中自组装的能力。
1.类器官发展的历史
类器官的发展历史源于再生医学和干细胞研究的突破。
①起源（20世纪90年代前）：类器官的研究最初只是萌芽，科学家们正在尝试模仿人体组织的生长。由于当时缺乏合适的工具和技术，研究主要集中在2D的细胞培养上，这种平面环境不能很好地模拟人体内的细胞生长状态。
②突破（20世纪90年代末到2000年代初）：随着干细胞技术的突破，荷兰科学家（Hans Clevers）及其团队成功利用干细胞在实验室中培育出第一个处理肠类器官。这个发现开启了通往3D细胞培养的先河——细胞开始在实验室中长成小型的“器官”。
③3D培养技术的进步（2010年代）：随着3D培养技术的发展，研究人员们尝试将不同的干细胞悬浮在特殊的基质中，促使它们在三维空间中自我组织形成复杂的结构，以形成特定的类器官。此时，类器官逐渐被用于模拟肝脏、大脑等各个器官，成为研究疾病和药物的有力工具。
④多样化与精细化（2020年代至今）：类器官技术持续进化，现在科学家不仅可以培育出更复杂、更精细的类器官，还能通过基因编辑等技术实现个性化培育，帮助研究特定患者的疾病。
如今，类器官凭借其人源性、近生理性的优点被更多用于研究癌症、遗传疾病，甚至药物筛选，成为生物医学领域中的重要的生物模型。
2.类器官的培养方法
类器官可以在特定的3D培养系统中由胚胎干细胞（ESC）、诱导多能干细胞（iPSC）、成体干细胞或肿瘤细胞进行构建。
类器官构建方法：
首先将来自人胚胎组织的胚胎干细胞或来自成体组织的诱导多能干细胞进行定向分化，产生漂浮的细胞聚集体——球状体，然后将其转移至特定培养基的细胞外基质中进行培养，形成类器官；或者将来自患者的原代组织分解成包含成体干细胞的功能单元，以及从肿瘤组织中分离的肿瘤细胞，在特定的三维培养基中进行富集和培养，也可以形成类器官和类瘤细胞。
3D细胞培养系统是类器官产生的基础，培养方法主要分为基于支架的3D细胞培养和无支架的3D细胞培养。
支架是类似于天然细胞外基质（ECM）的生物凝胶或合成水凝胶，主要包含胶原蛋白、明胶、层粘连蛋白等。能够模拟体内环境中细胞与细胞间的相互作用以及细胞与细胞外基质的相互作用，允许细胞在支架上聚集、增殖和迁移，有利于体外细胞的培养和分化。
无支架的3D细胞培养是使用经细胞排斥材质处理的细胞培养皿或使用悬滴、微流控等特殊系统开展细胞培养，阻止细胞在器皿表面的贴附生长，迫使其聚集成细胞微球。这种方法得到的3D细胞模型具有完整的球体结构，可以自发形成细胞外基质，并良好地模拟体内环境下的氧和营养梯度。
3.类器官培养操作流程
主要包括以下几个步骤：
①模型的构建
选择体外模型的源细胞：从人或动物体内获取合适的组织或细胞，如体细胞、成体干细胞或多能干细胞等。
②选择培养基与3D细胞支撑材料
针对不同的类器官，可以采用基于支架的3D细胞培养或无支架的3D细胞培养方法，改变培养基成分和维持类器官生长所需的细胞因子等元素，对上述步骤得到的细胞进行培养，从而得到类器官。
③类器官传代
培养一段时间后，可以进行传代培养，以继续扩大类器官的数量或保持类器官的生理状态。
④类器官鉴定与检测
类器官培养成功后，需要对其进行检测和鉴定，以确保类器官与目标器官的一致性。常用的检测方法包括实时成像观察、生物标志物检测（WB、免疫荧光、qRT-PCR、流式细胞术等）、基因测序等。
4.类器官功能检测方法
①电生理检测
针对神经或心脏类器官，电生理检测技术用于评估其神经元运动、运动电位或心肌收缩等功能表现。这些检测反应类器官在生理功能方面的成熟程度。
②药物反应测试
广泛评估类器官的疾病模型中。通过向类器官施加不同的药物，可以检测细胞的增殖、收缩和功能性变化，用于评估药物的毒性和疾病，特别适用于抗药物癌症药物或抗感染药物的筛选
③成像检测分析
通过活细胞成像技术，研究人员可以实时观察类器官在生长、分泌和功能形成过程中的动态变化。使用活细胞成像仪/高内涵分析等成像手段常用于观察类器官结构和细胞行为。
5.类器官类型
类器官模型的优势在于其能够在体外环境中重现复杂的组织结构与功能，且与传统的二维细胞培养模型相比，更加接近真实器官的生理特性，因此广泛应用于基础医学研究、药物筛选和疾病模型等领域。
图：常见的类器官模型
常见的类器官包括：
①大脑类器官
大脑类器官是通过神经干细胞培养生成的，可以模拟大脑皮层的某些特征，如神经元和胶质细胞的相互作用。
图：成纤维细胞产生自组织感觉神经节类器官和视网膜神经节细胞。JuLI™ Stage 拍摄：一共记录50小时。在拍摄记录的50小时中，神经元首先通过迁移形成更小的细胞簇，然后合并成感觉神经节(SG)的细胞簇
②脊髓类器官
脊髓类器官是由干细胞生成的三维自组装聚集体，能够复制脊髓在体内的发育、形态和功能特征。脊髓包含20多个不同的神经元亚类，形成复杂精密的神经回路，能够感知刺激并产生运动行为。
图：人类脊髓类器官的产生再现了神经管的形态发生。JuLI™ Stage 4x物镜拍摄：经VPA和CBZ处理后脊髓样类器官神经管闭合失败，其他组则表现正常，证明了VPA和CBZ有较高的畸形风险
③肠胃类器官
肠道类器官由肠道干细胞培养而成，能够模拟肠道的上皮组织、腺体、微绒毛等结构。它们被广泛用于研究肠道疾病、微生物群落与宿主的相互作用，以及药物对肠道的影响。
视频：小肠类器官。JuLI™ Stage 4x 物镜拍摄：间隔时间2h，一共记录72h，监测样本形态变化
④肿瘤类器官
肿瘤类器官是源自肿瘤组织中肿瘤特异性干细胞通过三维组织培养形成的细胞簇，它可模拟体内肿瘤特征及肿瘤细胞异质性，该技术的建立未为癌症研究和治疗提供了可靠的模型，特别是为个性化癌症治疗开辟了新的视野。
视频：T细胞、肿瘤细胞共培养。JuLI™ Stage 4x物镜拍摄：通过荧光变化判断T细胞杀伤能力
类器官作为体外疾病模型在药物发现和个性化药物筛选方面具有巨大潜力。单个类器官形态、数量和大小的动态变化可以指示重要的药物反应。也因此对细胞监测的要求有更上一个台阶。JuLI™ Stage活细胞成像分析系统配置了4倍、10倍和20倍镜以及相差功能，能够满足不同视场的观察需求；可以箱内长时程成像，能够在不影响类器官发育的前提下，跟踪记录发育过程的形态特征，为类器官发育评估和体外培养体系的优化提供依据。
注：部分图片来源网络
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