张田勘

2025年第五届类器官大会（北京站）日前召开，让人们对类器官产生了好奇。近些年，类器官频频在国际科学前沿研究中亮相，中国科学家在肠道、肝脏等多种类器官模型构建上取得突破。那么，类器官是一项什么技术？它能成为人类真器官的完美替身吗？未来在药物研发、疾病研究等领域有望发挥哪些作用？

“迷你肠道”类器官免疫荧光旋转盘显微镜图像

脑类器官光学显微照片

模仿或替代目标器官的实验模型

类器官（Organoid）是体外培养生成的立体（3D）细胞团，可以看作特定器官的迷你简化版本，在外形、结构、细胞类型、功能和生物复杂性方面，能模仿或替代目标器官（真器官）。科学家可将其用于疾病研究、药物开发、再生医学及个性化治疗等，为科研提供低成本、高效率的实验模型。

早在1907年科学家就发现，被机械方式打散的海绵细胞可以自发性地重新聚集并组装成完整个体。之后，一些研究人员从两栖动物和鸡胚胎获取器官组织并在体外生成了各种类型的微型器官。但是，类器官真正获得广泛认同是在2009年，荷兰科学家汉斯·克里夫（Hans Clevers）团队采用小鼠肠道的成体干细胞在体外培育出了小肠隐窝-绒毛结构，它从结构、外形到功能上具有真正的小肠绒毛功能，是逼真的迷你型类器官。克里夫也因此被业界公认为“类器官之父”。

研发、认定和采用某种类器官需要有一定的标准，即类器官需要具备几个重要特征。首先，类器官必须包含两种以上细胞类型，因为绝大部分器官都是由多种细胞组成的。其次，类器官具有特定器官的主要或某些功能，如心脏类器官可以自主搏动。第三，类器官的细胞应该具有与器官类似的自组织功能。自组织是指生物体在没有外部控制的情况下，通过内部因素的相互作用，自发形成有序结构和功能，包括细胞内部的分子自组装到复杂生物体的自主生长和发育。

培养类器官需要多种技术和设备，如细胞外基质支架、细胞因子以及培养基等。在流程上也有诸多要求，先从人和动物身上收集合适的组织或细胞，如体细胞、成体干细胞、多能干细胞和胚胎干细胞。然后，把干细胞放入培养皿，再根据不同类型的类器官有针对性地调整培养条件，使细胞能够增殖和生长。最后，对采集的干细胞进行培养，产生类器官，并且在培养一段时间后传代培养，以继续扩大类器官的数量或保持类器官的生理状态。

类器官培养出来后，还需要鉴定和检测，以确保类器官与目标器官（真器官）具有同一性。检测方法包括形态观察、生物标志物检测，如蛋白质印迹、免疫荧光、实时荧光定量反转录聚合酶链反应、基因测序等。当然，对于类器官最好的检测是观察其是否具有真器官的功能，如肺类器官是否具有肺的换气功能。

培育类器官离不开干细胞

人体中的干细胞如同“种子细胞”，可以不断自我复制，产生更多干细胞，还可以根据需要分化转变成不同类型的成熟细胞，所以，类器官都来源于干细胞。鉴于干细胞有多种分类，如胚胎干细胞、成体干细胞、诱导的多能干细胞以及肿瘤干细胞，类器官可以简单分为两大类：一类是正常的生理性类器官（如肝、肾、大脑等类器官），由各类干细胞生成；另一类是肿瘤类器官，由肿瘤干细胞生成。

干细胞技术在今天的迅猛发展，为各种类器官的研发和培育创造了条件，甚至可以通过基因修饰技术获得诱导的多能干细胞，再由后者培育各种类器官。日本科学家山中伸弥团队通过慢病毒载体（一类基于慢病毒改造的基因递送工具）将Oct4、Sox2、c-Myc、Klf4四种转录因子基因转入成体细胞，并将其转化为类似于胚胎干细胞的多能干细胞。为此，山中伸弥与英国科学家约翰·格登爵士一同获得了2012年的诺贝尔生理学或医学奖。

这一研究成果意味着，不必采用有伦理限制的胚胎干细胞（胚胎干细胞的全能分化性最好，能生成各种器官，但是涉及14天即生命的伦理限制），使用诱导的多能干细胞也能研制出各种各样的类器官。

如今，世界各国的研究人员已经能通过多能干细胞培育出包括大脑、肺、心脏、肾、肝、前列腺、血管（动脉）、皮肤、肌肉、骨骼、软骨等在内的多种类器官，还有多种肿瘤组织的类器官，如肺癌类器官，用以研究癌症。

与此同时，各类器官芯片（OoC）也陆续被研发出来，包括肺泡和支气管、肾脏、肝脏、胰腺、心脏以及血脑屏障等器官芯片。研究人员还研发了原位癌症器官芯片，以模拟肿瘤的结构和生理特性，如肺腺癌芯片、乳腺癌芯片和多发性骨髓瘤芯片等。

类器官和器官芯片有何区别

很多人容易混淆类器官和器官芯片，虽然二者都是体外模型，但有着明显区别。

器官芯片为一种新兴的体外生物模型，是由光学透明材料（如聚二甲基硅氧烷）制成的微流体细胞培养装置，它将不同细胞类型按照特定的微观结构排列，构建出模拟人体器官微环境的微型系统，能够在体外模拟人体复杂组织或器官的特征及生理功能。通过结合两种或多种细胞类型，器官芯片能够重现人体器官及组织-组织界面的多细胞结构、血管灌注系统和机械特性等。器官芯片能够从不同角度捕捉人体器官的生理和病理过程，因此可作为临床和基础研究的另一种体外模型。

类器官和器官芯片尽管有相似之处，但各有特点和作用。类器官能够模拟真实的器官结构和功能，如肝脏类器官可以模拟肝脏的代谢功能，肠道类器官可以模拟肠道的吸收功能，因此更接近真实的器官结构和功能，能用于疾病建模和药物研究。器官芯片可以实现对体内复杂生理过程的模拟，如药物代谢、毒性测试、疾病模型等，也可用于药物筛选和毒性测试，但由于它是微型结构，无法完全模拟真实的器官结构和功能，而且生物材料和微流控技术的局限性也会影响其准确性。

生物体的单位由小到大分别是分子、细胞、组织、器官、系统和个体，生物医学需要针对这些不同的单位进行研究。相较而言，类器官和器官芯片是比细胞大又比器官小的人造生物体，在研究和诊治疾病中具有独特的优点。它们虽然不及动物个体和真实器官那样具有全面的生理功能，但比起动物（人）个体来，至少具有半生理功能，而且培养时间较短、成本较低，同时比细胞的模拟作用更强更真实，是当前生物医学、药物研究和临床诊治疾病试验的较好模式。

与AI合作是未来科研重要模式

在人工智能迅速发展的时代，AI可以与类器官和器官芯片结合研究，有助于减少对动物试验以及人体试验的依赖，降低生物医学研究的成本。2025年4月，美国食品药品监督管理局（FDA）宣布，将逐步取消单克隆抗体及其他药物的动物试验要求，改用AI模型、人类细胞系、类器官以及器官芯片等新方式，替代动物试验。这也意味着，采用类器官和器官芯片以及与AI结合将成为未来科研的一种重要模式。

AI的机器学习模型有多种，包括随机森林、逻辑回归、神经网络、卷积神经网络、图像神经网络等，这些模型如果能与类器官或器官芯片结合，就可以快速了解某些器官的功能，并研发出新的药物和产品。其中，在药物筛选领域，类器官+AI可以提高筛选的效率和准确性，如利用肿瘤类器官进行药物筛选，可以快速识别出对特定肿瘤有效的药物，更好地对癌症患者进行个性化治疗。利用类器官+AI还可以快速有效检测出药物的毒性，以保障药物上市后的安全性。

FDA早已开始推荐类器官毒性测试、基于AI的毒性计算模型等，这些技术可以立即用于研究性新药的申请，而且，在新药研发和申请中，FDA鼓励研究机构纳入类器官毒性测试数据。FDA指出，用类器官和器官芯片系统（如肝脏、心脏和免疫器官）测试药物安全性，能够识别在动物身上容易被忽视的毒性作用，从而更快、更可靠地设计更安全的药物，降低药物的研发成本和价格。

最近，中国的东南大学研究团队将人类肝脏类器官与人工智能技术结合，研发出全球首个基于肝脏类器官明场图像的AI模型DILITracer，这是一种药物性肝损伤（DILI）三级分类的深度学习模型。明场图像是显微镜技术中的一种图像类型，是通过明场显微镜获得的图像，通常用于观察样本的基本结构和形态。

研究团队采用BEiT-V2视觉编码器，提取类器官图像的3D特征，再从FDA的药物性肝损伤数据库中选取30种引发肝损伤的药物，分类为强肝毒性、弱肝毒性、无肝毒性3个等级，让药物诱导人源肝脏类器官产生不同程度的损伤。在72小时内，每隔24小时拍摄一次类器官的多角度3D明场图像数据，类似于对类器官做CT，可以从多角度了解药物对类器官的作用。之后，研究团队将类器官特征数据、明场图像数据集和3个毒性等级的标签投喂给DILITracer，让大模型根据标签提取图像特征，最终进行3个毒性等级图像数据的分类。结果显示，DILITracer对药物性肝损伤药物的识别准确率达82.34%，其中无肝毒性药物识别率达90.16%。

药物性肝损伤一直是新药难以进入临床和市场的主要原因，同时也是药物退市的重要原因。过去，人们常采用动物试验来检测药物诱导性肝损伤，但准确率仅为43%-63%。当然，也可以用细胞系（原代细胞经首次传代成功后所繁殖的细胞群体，也指可长期连续传代的培养细胞）和荧光标记等进行药物毒性检测，但成本高昂、生理相关性差（较难推论和适用于人体）。而类器官+AI不用动物试验就能迅速有效地评估药物的安全性，实现低成本、高通量（快速处理大量数据、样本或进行大规模实验的能力）筛选和检测药物，发展前景可观。

类器官发展瓶颈亟待突破

如今，最能体现类器官和器官芯片实际作用的一大进展是，FDA于2022年批准了第一个完全基于器官芯片数据的药物阿齐瑞格（Azeliragon)进入Ⅱ期临床试验，并在FDA现代化法案2.0中，取消了新药在人体试验前必须进行动物试验的要求。

但是，类器官和器官芯片还处于探索期，成果有限。以类器官为例，通常只能培养到绿豆大小，与人体内真实器官的体积差距太大，除了研究，尚不能真正派上用场，如不能用于器官移植。类器官培养的瓶颈在于，它没有血管系统为每个细胞输送氧气和营养物质，直径超过大约3毫米类器官就无法再直接从周围环境中吸收营养并产生自组织的生长，也就是说，目前的类器官长不大。

此外，类器官由于不是用真正或典型干细胞培育的，其生长、结构和功能有限。比如，成熟的心脏约有21种细胞类型，但目前培养得最好的心脏类器官只有15种细胞类型，相当于胎儿的心脏。

不过，这一瓶颈正在被突破。美国斯坦福大学医学院的一个研究团队以人类多能干细胞为基础，培养了血管化心脏类器官和血管化肝脏类器官，能够让类器官长得更大并接近成熟，有望在未来作为供体器官使用。而且，类器官有了血管系统，就能与宿主的血管系统相连，移植后存活的概率更大，也能发挥正常功能。如果继续改进技术，还有可能培育出与成年心脏细胞类型相同，形状和功能也相似的心脏类器官。当可以用一个人的干细胞培养出与人体器官极度接近的类器官，并用于移植时，类器官应用才能进入真正的蓝海。

最近，“类器官之父”克里夫团队还利用新的方式培育了多种肿瘤类器官。他们使用碱基编辑技术，同时将多种与癌症相关的基因突变引入成人干细胞（ASC）来源的类器官，制造了模拟肝癌、结直肠癌和子宫内膜癌的肿瘤类器官。这种方式可以创建多种实体瘤的体外类器官模型，有利于探索各种类型癌症的发病、发展，以及找到治疗的线索。可以预见，当类器官培育的瓶颈完全突破时，全世界的生物医学和疾病防治必将进入一个新时代。