翻译：吴智明医生

审核：广州中医药大学第一附属医院 王海彬教授

文章所属：王海彬教授团队，转发请标明出处。

自组织：类器官形成的基础

类器官方法建立在经典发育生物学以及细胞解离和重新聚集实验的广泛基础之上（图1A）。目前为止已经采取了两种不同的方法来重构组织。体内细胞运动的检查揭示了组织形态发生过程中细胞分离成离散域的机制。此过程已在果蝇翅盘中进行了广泛研究，其中果蝇的翼片之间通过相互抑制的相互作用建立了前后边界。在中脑-后脑边界的脊椎动物胚胎发育过程中，也发生了类似的过程，该过程随后成为后续组织形态发生的组织手段。

图1

（A）导致各种类器官方法论的历史上的关键事件。（B）与多能干细胞的自组织的范例的比较。畸胎瘤在体内发展为各种组织，或者是自发性肿瘤，可以在动物和人类中产生，也可以是从啮齿类动物宿主中注射的PSC产生的。胚状体是干细胞的3D聚集体，可自我组织形成组织，在许多方面类似于畸胎瘤，但在体外形成。类器官是类似的3D体外组织，但在特定条件下被驱动以生成单独的分离组织。

理解组织模式的第二种方法是组织的解离和重新聚集，以检查体外细胞的相对形态发生运动（图2A）。这种方法已经应用于几乎所有的发育中脊椎动物器官的一些经典研究与小鸡胚胎组织（图1A）。结果指向细胞在重组和解离的过程中的一种普遍的能力称为"细胞分选"，能够形成和体内组织特性相似的结构。例如，从1960年代初期开始的研究就利用了发育中的鸡肾的解离细胞形成几乎可完全重现肾脏发育的重聚集体。

这种器官自组装的基础似乎是由具有相似粘附特性的细胞分离为实现热力学最稳定模式的区域（图2A）。被称为斯坦伯格的差异粘附假设（图1A），该理论得到一系列体外细胞混合实验的支持。差异粘附是通过细胞表面粘附蛋白介导的，例如，在分离脊椎动物神经和表皮外胚层中，差异的上皮细胞和神经由钙粘蛋白表达介导细胞进行分选。

可以影响组织形态发生的第二种机制是适当的空间受限祖细胞命运决定（图2B）。一个很好的例子是发育中的脊椎动物视网膜，其中神经上皮细胞产生了复杂的谱系，该谱系以时间和空间受限的方式产生了视网膜的各个层。这种分层取决于正确的干细胞分裂取向，对称和不对称分裂的相互作用，并且分化的子细胞迁移到组织内限定的位置。值得注意的是，这种组织也可以在体外解离和重新聚集后重新复现。这表明视网膜分层不仅取决于细胞的分选，而且取决于视网膜祖细胞对谱系决定的正确执行。

图2 自组装原理

（A）细胞分选描述了细胞向不同域的运动。不同的细胞类型（紫色或绿色）会自行分类，因为不同的细胞粘附分子（表示为棕色或橙色条形）的差异表达赋予它们不同的粘附特性。（B）有限空间内的细胞系定型也有助于体内和类器官的自组织。祖细胞（绿色）产生分化程度更高的子代（紫色），由于组织和/或分裂方向的空间限制，它们被迫进入促进其分化的更表面的位置。这些细胞有时可以进一步分裂，以产生更多分化的后代（粉红色），并进一步移位。

在控制自组织的过程中，细胞分选和组细胞谱系的确定的结合在称为畸胎瘤的肿瘤中尤为明显。畸胎瘤从种系的多能干细胞（PSC）发育而来，因此表现出各种组织化的组织（图1B）。这些包括表皮，神经组织，肠道和骨骼，以及眼睛和四肢。这些组织从PSC的自发发展大概是由于细胞分选和组细胞谱系的确定。类似地，这两个过程允许在类器官中看到自组织（框1）。

在许多方面，类器官代表了体外类胚体（EB）在方法上的演变，与早期畸胎瘤相似（图1B）。EB是PSC的3D聚集体，其以与妊娠前胚胎几乎相同的方式经历初始发育过程。EB可以进一步分化形成各种有组织的组织，就像畸胎瘤一样。但是，它们在体外的生长应用类似因子来驱动特定的身份。并非所有的类器官方法都存在初始类胚体阶段，但它们都涉及外源组织重塑并最终重新聚集以形成3D自组织组织，即类器官。

由于三维培养环境的生长活动日渐增多，类器官中的自组织是可能的。这一运动最早由以下细胞发现：上皮细胞，例如肾脏或乳房上皮细胞，当嵌入细胞外基质水凝胶中时可能会发展成小管和导管。同样，类器官通常使用这种凝胶，特别是Engelbreth-Holm-Swarm肿瘤系分泌的富含层粘连蛋白的细胞外基质，也称为基质胶。

所得的自组织结构表现出典型的组织结构，但请注意它们是高度异质的。因此，每个类器官是唯一的，并且表现出通常是随机的组织区域的相对位置，这可能是由于缺乏胚轴形成所致。例如，脑类器官显示出各个大脑区域，它们分别与体内的那些区域非常相似地发展，但由于缺少前后轴和背腹轴，因此彼此之间的组织并不紧密。同样地，肾脏类器官会产生与肾单位段区域相对应的肾小管，但它们是随机放置的，而不是显示髓质和皮质组织。这种异质性使得难以生成单一细胞类型的纯种群，但它可以成为在整个器官范围内模拟发育和疾病的强大工具。

图3 类器官方法概述

迄今为止，类器官分化方法是从人类PSC开发出来的。指出了祖细胞身份的推导条件和生长因子。对于神经外胚层，使用无血清的基本培养基。KSR是剔除血清的替代品，是无血清促进生长的替代品。限制其使用以及溶解在培养基中的低浓度基质胶会促进视网膜神经上皮，而较高的KSR和嵌入纯基质胶会促进大脑各个区域的形成。肾脏类器官有几种生成方法，但显示了共同的生长因子。

表1 ：各种器官的体外自组织组织的当前技术水平（截取骨器官部分）。

图4 类器官的治疗潜力

类器官可以用来模拟疾病（左上图），例如模拟具有脑类器官的神经发育障碍。然后，可以将这些类型的疾病模型用于体外测试药物功效，然后再转换为动物模型（右上图）。可以在肝类器官中测试药物化合物的毒性和代谢特性（右下框）。最后，可以从患者细胞中制备类器官，以提供自体移植解决方案（左下框）。

类器官有潜力为临床中的细胞甚至整个器官替代策略提供替代方法（图4）。类器官可以为移植提供自体组织来源。在这方面，肾脏类器官具有巨大的治疗潜力，因为这是终末期衰竭率最高的器官，导致器官移植的最高需求。Taguchi等人已经有。在成年小鼠的肾囊下成功移植了肾脏类器官，这导致了血管形成，这是朝着替代策略迈出的有希望的一步。

另外，视网膜类器官可用于治疗某些类型的视网膜变性和失明。确实，干细胞疗法的临床试验已经在进行，以取代某些退化性的视网膜细胞类型。视网膜类器官可以提供一种替代方法，该方法可以更好地再现发育过程，并因此选择特定细胞类型进行移植。最后，肠类器官可以为损伤后或切除病变组织后替换受损结肠提供治疗选择。值得注意的是，肠类器官移植已在小鼠中进行，并且受伤后可以促进结肠癌修复。在现代遗传基因缺陷的情况下，使用现代基因组编辑技术，用修复的组织代替受损的器官，类器官的方法甚至可以进行基因校正。

尽管很明显类器官有很多潜在用途，但重要的是要记住它们的当前局限性。特别是，迄今为止建立的所有类器官系统仍需就体内发育的再现程度进行提高。例如，尽管视网膜类器官很好地显示了典型的层状组织，但外部节段却未能形成。例如，感光体不能完全成熟以变得对光敏感。同样，大脑类器官在大脑发育中概括了相当早的事件，但后来的特征（例如皮质板层）未能完全形成。

成熟的问题似乎是类器官技术中的一个普遍障碍，并且是否会显着影响其治疗和研究潜力还有待观察。已显示人类肠类器官具有成熟肠的特征，可产生Lgr5 +成体干细胞。一旦异位移植或可用于治疗目的，其他类器官也许可以被诱使完全成熟。这些研究可能会成为未来类器官研究的主要重点。

最后，缺乏血管化通常是体外类器官的问题。由于养分供应的限制，类器官的生长潜力有限，这也可能影响其成熟。血管化是整个组织工程中的一个问题，并且已经采取了各种方法来解决它。就类器官而言，旋转的生物反应器可以提供更好的营养交换，最大尺寸可达几毫米。或者，与内皮细胞共培养可产生血管样网络。然而，也许最有前途的解决方案是这些组织的移植，就像对肝芽和肾脏类器官所做的那样，它刺激了宿主血管的入侵。

总体而言，类器官作为药物测试工具和治疗方法，具有巨大的潜力来模拟发育和疾病。毫无疑问，未来的努力将使他们更加接近实现这一潜力。

References:

[1]. Lancaster, M.A. and J.A. Knoblich, Organogenesis in a dish: modeling development and disease using organoid technologies. Science, 2014. 345(6194): p. 1247125.