類器官研究全景2024：類器官的歷史、超越、革新和未來

在過去的十年中，類器官（Organoid）研究進(jìn)入了一個黃金時代，這也標(biāo)志著生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)生的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變。2023年可以稱為類器官研究的一個里程碑，在這一年里發(fā)表了數(shù)千篇類器官研究論文，反映了類器官研究熱度的指數(shù)級增長。然而，與這種蓬勃發(fā)展的快速擴(kuò)張相比，仍缺少對類器官全面且準(zhǔn)確的概述。近日，復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院曹鑫、中國科學(xué)院高能物理研究所何瀟、澳門大學(xué)健康科學(xué)學(xué)院鄧初夏、禮升生物韓欣欣、蔡春暉、上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬龍華醫(yī)院鄧瑋等人，在TheInnovation期刊發(fā)表了題為：Landscapeofhumanorganoids:Idealmodelinclinicsandresearch的研究論文。該綜述為快速發(fā)展中的類器官領(lǐng)域提供了一個全景圖，從8個獨(dú)特的優(yōu)勢點(diǎn)仔細(xì)分析了類器官領(lǐng)域，作者們利用在學(xué)術(shù)研究、工業(yè)應(yīng)用和臨床實踐方面的豐富經(jīng)驗，深入探討了類器官技術(shù)的進(jìn)展，該綜述跨越了類器官的歷史起源及其對各個生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的變革性影響，包括腫瘤學(xué)、毒理學(xué)和藥物開發(fā)。該綜述還深入研究了類器官與前沿技術(shù)（例如合成生物學(xué)、單細(xì)胞組學(xué)）之間的協(xié)同作用，并討論了它們在定制個性化醫(yī)學(xué)、提高高通量藥物篩選和構(gòu)建生理學(xué)相關(guān)疾病模型中的關(guān)鍵作用。該綜述全面分析和反思性論述深入探討了類器官技術(shù)的現(xiàn)有前景和新興趨勢，重點(diǎn)關(guān)注技術(shù)創(chuàng)新、方法學(xué)演變和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，強(qiáng)調(diào)類器官在個性化醫(yī)學(xué)、腫瘤學(xué)、藥物發(fā)現(xiàn)和其他領(lǐng)域的革命性影響。展望未來，論文作者謹(jǐn)慎預(yù)測了類器官研究領(lǐng)域的未來發(fā)展。這一全面綜述將成為對個性化醫(yī)療策略有濃厚興趣的研究人員、臨床醫(yī)生和患者的寶貴財富。對類器官技術(shù)的當(dāng)前和前瞻性能力提供了廣泛的觀點(diǎn)，涵蓋了當(dāng)前和未來的廣泛應(yīng)用?？偟膩碚f，該綜述通過對類器官領(lǐng)域進(jìn)行的全面探索，提供可能對當(dāng)前研究人員和臨床醫(yī)生有用的思考、總結(jié)和預(yù)測，并希望為塑造類器官這一動態(tài)和快速發(fā)展的研究領(lǐng)域的演變軌跡做出貢獻(xiàn)。類器官技術(shù)，使用來自干細(xì)胞的三維培養(yǎng)物以模擬天然器官的結(jié)構(gòu)和功能，這代表了生物醫(yī)學(xué)科學(xué)的一項重大進(jìn)步，為人類生理和病理學(xué)提供了革命性視角。類器官技術(shù)深刻影響了各個領(lǐng)域，尤其是腫瘤學(xué)和再生醫(yī)學(xué)，表現(xiàn)出無與倫比的適應(yīng)性和類器官，本質(zhì)上是器官的微型版本，為理解人類生物學(xué)提供了一個高度生理學(xué)相關(guān)的模型。這一相關(guān)性在藥物開發(fā)領(lǐng)域尤其關(guān)鍵，而傳統(tǒng)模式在這一領(lǐng)域往往達(dá)不到要求。與二維細(xì)胞培養(yǎng)或動物模型相比，類器官能夠更準(zhǔn)確地反映人體組織，從而實現(xiàn)更可靠、更高效的藥物篩選和功能驗證。這一特征在癌癥研究中尤其有價值，因為類器官可以模擬腫瘤微環(huán)境，從而幫助我們了解腫瘤-免疫相互作用和宿主-病類器官模型可在體外模擬人體器官復(fù)雜的生物學(xué)過程，臨床逼真度高于傳統(tǒng)模型。這一特性使藥物的快速功能檢測成為可能，提高了從藥物發(fā)現(xiàn)到臨床應(yīng)用的效率。此外，類器官為體外基因編輯療法提供了一個新平臺。利用CRISPR-Cas9和其他基因編輯工具，研究人員可以使用類器官來模擬遺傳性疾病和測試治療策略，顯著推進(jìn)了個性化醫(yī)療領(lǐng)域。這些都強(qiáng)調(diào)了類器官在生物醫(yī)學(xué)科學(xué)中的變革潛力。在未來，類器官還將在促進(jìn)我們對人類生物學(xué)的理解方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，從細(xì)胞自組織進(jìn)化到與合成生物學(xué)和人工智能（AI）等技術(shù)的集成，為藥物發(fā)現(xiàn)、疾病建模和個性化醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域提供巨大潛力。類器官技術(shù)的進(jìn)步繼續(xù)打破障礙，提供了曾經(jīng)被認(rèn)為無法實現(xiàn)的見解。該綜述不僅探討了類器官技術(shù)的現(xiàn)狀，而且展望了類器官對未來生物醫(yī)學(xué)研究的深遠(yuǎn)影響。類器官歷史類器官研究可以在追溯到20世紀(jì)初，1907年，H.V.Wilson的觀察標(biāo)志著類器官研究的開始，他揭示了分離海綿細(xì)胞的自組織和再生。1981年首次從小鼠胚胎中分離出多能肝細(xì)胞（PSC），1998年首次從囊胚中分離人類胚胎干細(xì)胞，2000年代，iPSC技術(shù)的出現(xiàn)進(jìn)一步革新了干細(xì)胞領(lǐng)域。2009年，HansClevers教授創(chuàng)造了“Organoid”一詞，他使用來自小鼠腸道的成體干細(xì)胞培育出首個腸道類器官，開創(chuàng)了類器官研究時代?？偟膩碚f，類器官研究在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開創(chuàng)了一個新時代，提高了我們對生命、疾病和治療的理解。類器官——超越傳統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)模型生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究者們，在不懈地追求理解生命的復(fù)雜性的過程中，長期以來一直在尋找能夠反映人類生理學(xué)和病理學(xué)的模型。而類器官模型是現(xiàn)有生物醫(yī)學(xué)模型（細(xì)胞系、患者來源的原代細(xì)胞培養(yǎng)、動物模型、患者來源的異種移植模型、遺傳操縱的動物模型）的顯著改進(jìn)。類器官模型重新定義了生物醫(yī)學(xué)模型的格局，提出了一種更符合生理學(xué)的相關(guān)替代方案。與其他模型相比，類器官模型不僅具有更短的構(gòu)建周期和更高的成功率，而且在保留患者個體化組織特征方面表現(xiàn)出色。類器官解決腫瘤學(xué)臨床難題類器官技術(shù)引入了新一代詳細(xì)而準(zhǔn)確的模擬，捕捉了復(fù)雜疾病（例如癌癥）固有遺傳特征和異質(zhì)性。類器官模擬不同患者特異性反應(yīng)的能力有助于剖析腫瘤的多面性，為靶向治療干預(yù)鋪平了道路。目前已建立了包括乳腺癌、胰腺癌、胃腸道癌、肺癌、前列腺癌、卵巢癌和膀胱癌等各種人類癌癥類器官，并能夠用于準(zhǔn)確預(yù)測癌癥患者對靶向療法和化療的反應(yīng)。此外，基于類器官的臨床試驗在國際上風(fēng)頭正勁，尤其是美國和中國，處于類器官臨床研究的前沿。類器官解決腫瘤學(xué)臨床難題：開創(chuàng)性模型、療法和臨床試驗合成生物學(xué)和類器官技術(shù)的交叉合成生物學(xué)的進(jìn)步包括使用聚乙二醇和透明質(zhì)酸等材料創(chuàng)造可調(diào)節(jié)的合成基質(zhì)，以增強(qiáng)類器官的生長和功能。生物工程水凝膠在促進(jìn)細(xì)胞分化和類器官結(jié)構(gòu)形成方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。類器官技術(shù)正在合成生物學(xué)產(chǎn)品的生產(chǎn)中開辟一個新的市場，并有望在未來推動創(chuàng)新藥物和治療策略的發(fā)展。類器官是三維多細(xì)胞結(jié)構(gòu)，通過復(fù)制實際器官的活動，為增強(qiáng)和簡化合成藥物的篩選程序提供了獨(dú)特的前景?？偟膩碚f，合成生物學(xué)和類器官研究的融合代表了生物醫(yī)學(xué)的巨大進(jìn)步，為研究和操縱類器官提供了新途徑。這一交叉點(diǎn)將重塑我們對人類生物學(xué)和疾病的理解，為變革性的臨床應(yīng)用和生物醫(yī)學(xué)研究的發(fā)展鋪平了道路。類器官：毒理學(xué)研究的革命性進(jìn)展毒理學(xué)研究在評估藥物、工業(yè)化學(xué)品、化妝品和食品添加劑的安全性方面具有重要作用，傳統(tǒng)上依賴于動物模型和二維細(xì)胞培養(yǎng)。而現(xiàn)在，類器官可以幫助定義個體對各種毒素的易感性，可以通過促進(jìn)個性化風(fēng)險評估和干預(yù)策略來改變毒理測試。類器官模型的潛在應(yīng)用還進(jìn)一步擴(kuò)展到環(huán)境毒理學(xué)領(lǐng)域，類器官促進(jìn)了環(huán)境毒素如何影響人類健康的研究。例如，肺類器官已被用于研究空氣污染顆粒對肺組織的影響，提供了人類肺暴露于環(huán)境危害的現(xiàn)實表現(xiàn)。包括微流控和高通量篩選系統(tǒng)在內(nèi)的技術(shù)進(jìn)步，為類器官毒理學(xué)研究帶來了光明前景?？偟膩碚f，類器官模型在毒理學(xué)中具有巨大的潛力。解決標(biāo)準(zhǔn)化、可擴(kuò)展性、生理相關(guān)性和倫理考慮的挑戰(zhàn)將是充分利用類器官在毒理學(xué)研究中的關(guān)鍵。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和跨學(xué)科合作，類器官模型提供了革新毒理學(xué)的機(jī)會，導(dǎo)致對有害物質(zhì)的更準(zhǔn)確和更有效的測試，從而顯著增加人類健康和安全。類器官時代：藥物開發(fā)的范式轉(zhuǎn)變類器官技術(shù)在新藥的開發(fā)和評價中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。雖然類器官不直接參與新藥的開發(fā)，但它們對于通過藥物篩選和測試發(fā)現(xiàn)有前景的候選藥物至關(guān)重要。在高通量藥物篩選中，類器官的出現(xiàn)通過從大型化合物庫中靶向識別有效分子，已經(jīng)改變了總的來說，類器官技術(shù)推動了藥物開發(fā)的各個階段，類器官為藥物開發(fā)整個過程中提供廣泛的協(xié)助，類器官還幫助優(yōu)化了藥物開發(fā)成本、提高了效率。與傳統(tǒng)方法相比，類器官代表了藥物開發(fā)的范式轉(zhuǎn)變。類器官全面推進(jìn)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域隨著類器官技術(shù)的出現(xiàn)，生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域取得了重大飛躍。類器官的多功能性和適應(yīng)性使其成為廣泛研究應(yīng)用的寶貴工具，具有重塑治療方法以應(yīng)對一系列臨床挑戰(zhàn)的潛力。類器官的應(yīng)用極大地擴(kuò)展了疾病研究范圍，技術(shù)進(jìn)步使探索以前無法進(jìn)入的科學(xué)領(lǐng)域成為可能，特別是當(dāng)涉及到人類特有疾病時。總的來說，類器官的多功能應(yīng)用無疑為生物醫(yī)學(xué)研究的突破性進(jìn)展奠定了基礎(chǔ)。隨著我們繼續(xù)拓展類器官的潛力，實驗室發(fā)現(xiàn)和現(xiàn)實世界臨床應(yīng)用之間的橋梁變得更加牢固。未來將是一個以類器官為核心的個性化醫(yī)學(xué)新時代，為無數(shù)臨床挑戰(zhàn)提供新技術(shù)與類器官集成：引領(lǐng)生物醫(yī)學(xué)新前沿近年來，新技術(shù)的進(jìn)步進(jìn)一步增強(qiáng)了類器官系統(tǒng)的能力，并產(chǎn)生了一系列生物學(xué)新見解。單細(xì)胞組學(xué)、成像、遺傳學(xué)和人工智能的新工具正在與類器官平臺集成。這些進(jìn)步有望帶來生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重大轉(zhuǎn)變。結(jié)論和展望類器官技術(shù)的出現(xiàn)標(biāo)志著生物醫(yī)學(xué)研究的一個分水嶺，超越了以前科學(xué)探究的邊界。這一創(chuàng)新徹底改變了我們對人類生物學(xué)的理解，并在疾病管理方面引入了前所未有的途徑，解決了曾經(jīng)被認(rèn)為是不可逾越的障礙。在這個新興領(lǐng)域的前沿，似乎有著無限可能，類器官技術(shù)正在重塑醫(yī)療保健、研究方法和與人類生命相關(guān)的倫理在該綜述中，作者們強(qiáng)調(diào)了類器官的多方面影響，強(qiáng)調(diào)了它們在個性化醫(yī)學(xué)、藥物發(fā)現(xiàn)和疾病建模中的實用性。類器官系統(tǒng)的定制性質(zhì)，特別是患者來源的類器官，已經(jīng)引入了生物醫(yī)學(xué)研究的精準(zhǔn)新時代。通過模擬人類器官的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能，類器官為人類生理學(xué)和病理學(xué)提供了更具代表性的模型，超越了傳統(tǒng)的體外和動物模型。類器官復(fù)制復(fù)雜生物過程的能力（例如腫瘤-免疫微環(huán)境和宿主-病原體相互作用），使它們成為進(jìn)一步闡明疾病機(jī)制和治療反應(yīng)的先鋒。展望未來，類器官與合成生物學(xué)、人工智能和基因編輯等前沿技術(shù)的整合預(yù)示著生物醫(yī)學(xué)創(chuàng)新進(jìn)入了一個變革性的階段