体细胞衍生器官作为人类上皮组织和疾病的原型研究
最近，Masayuki Fujii团队对上皮组织干细胞调控的了解取得了进展，这使得能够开发它们的能力，并指导它们自组织成模拟组织的结构，即所谓的类器官。类器官保留了其起源组织的分子、结构和功能特征，从而为研究健康和疾病中的人体组织生物学提供了一个机会。在从尚未培养的上皮组织中提取器官细胞的同时，该领域正在投入越来越多的努力来使用器官细胞对人类疾病进行建模。这篇综述描述了建立人类遗传、肿瘤、免疫学和传染病的器官模型的多学科方法，并详细说明了它们如何有助于我们对疾病生物学的理解。研究团队进一步强调了类器官在临床实践中的潜在作用和局限性，并展示了调整类器官培养系统的最新成果和方法，以在生物定义的环境中定位器官组织，并赋予器官细胞更好地代表人体组织的能力。
人类和其他多细胞生物利用体细胞的自我更新和多分化能力，作为维持组织稳态的主要引擎。尤其是组织、祖细胞或静止细胞在组织受损时恢复干细胞计划，以促进再生并保护组织完整性。
无序的干细胞自我更新和再生可能引发肿瘤发生或组织退化。在上皮组织中协调这些稳态、再生和病理条件的信号通路和微环境调节的丰富的理解使我们能够指示从它们的宿主组织分离的体细胞在体外自我更新，并在无血清和无饲养层细胞的环境下组织成类似组织的三维(3D)结构或有机体。
随着在单个组织基础上设计培养配方的不懈努力，类器官技术现在涵盖了许多具有健康或疾病背景的人类上皮组织。随着有机体研究接近在培养皿中将各种体细胞干细胞发育成3D组织的初步目标，衍生研究的重点是正常和疾病有机体与现实世界人体组织的生物学相关性，并探索这项突破性技术如何在基础科学和生物医学研究中开辟出一个利基市场。
在这篇综述中，通过组织和疾病模型的镜头概述了器官细胞的基本原理和实际应用，并讨论了类器官如何在当前的实验和临床前应用中与传统的细胞系模型竞争并超越传统细胞系模型。
同时，进一步描述了使用患者衍生的器官和尖端应用(包括基因组编辑技术和杂交培养系统)来建立人类疾病模拟的多边战略。改善现有的器官培养环境和创造更多与组织相关的器官培养环境的努力正在翻新细胞培养平台，以提高实验室的能力和在床边未来使用细胞培养技术。这些拓宽细胞应用改变了人体组织研究的形式，并可能最终迎来下一代生物医学平台，该平台能够增强人体组织的体外表现，并以个性化的方式对人类疾病进行检测、诊断、预测和治疗。
细胞技术的重点是，当分离的细胞上皮干细胞被放置在适当的环境或“生态位”中时，它们能够重建起源组织的结构和功能。因此，引导干细胞表现出这种能力的器官培养系统可以概括为干细胞生态位的制造。小鼠小肠类器官的最初衍生已经以有形的形式验证了这一概念，随后将其他组织培养成类器官的努力基本上继承了类似的培养方式。一种用于类器官建立和培养的正统方案首先通过物理和酶分离将组织干细胞或含有干细胞的单元，例如肠腺、前列腺腺和乳腺从底层间充质中释放出来(图1)。
图1|器官培养系统。A，一个来源于人类正常结肠上皮和结肠肿瘤的器官来源的例子。分离的上皮干细胞或含有干细胞的单位(隐窝)被植入细胞外基质中，并用含有基本利基因子的培养基滋养。在一周内，干细胞自组织成具有单腔和多个芽的类器官。肿瘤类器官可以用类似的方式培养，通常代表原始组织学的结构。B，人体正常结肠器官的典型亮场(左)和三维重建荧光(右)图像。
不幸的是，由于对干细胞利基的依赖在组织间存在实质性的可变性，目前还没有设计出一种可以不考虑组织来源而允许细胞扩张的万能解决方案。先验地确定目标组织中单个利基因子的生物活性也是一件具有挑战性的事情。
因此，以前的研究通过提名潜在活跃的生态位因子来配置特定于组织的培养条件，然后对它对器官生长和长期培养可持续性的影响进行单独评估。到目前为止，这一务实的策略一直是多产的，并使我们能够培养各种小鼠上皮组织，此后不久，将人类正常和患病的上皮组织，培养成器官(图2）。
图2|有机体技术中的人体组织范围。图中显示了可扩展为类器官的人类上皮组织。衍生出器官的正常组织和肿瘤组织分别以黑色和红色文本显示。肿瘤来源的器官也用红色标明。
在器官培养中，组织干细胞自我更新，并与其后代一起自组织成3D簇，在结构、功能和分子上显示出与来源组织的相似性。例如，来自人类小肠上皮的类器官呈单层囊状形态，具有隐窝样突起，在高峰期提供富含亮蛋白重复序列的G蛋白受体5(LGR5)阳性干细胞。人类子宫内膜衍生的器官生成腺体结构，这些腺体结构保留了子宫内膜标记蛋白的表达，并对女性激素做出反应。器官与其对应组织的这种生物整合一直是器官技术迅速传播的推动力，并推动了器官在生理相关环境下研究人类上皮组织的使用。除了标准化的培养程序外，类器官平台还可以接受其三个组成部分的修改，即类器官、细胞外基质和培养基条件。正如后面详细讨论的那样，最近的研究集中在调节和控制这些元素的结构、组成和生化性质，以扩大基础研究和临床应用。
除了最近成功地从不同的人体组织中衍生出一连串的器官外，迄今为止建立的过多的人类细胞系已经成为活体人类的主要替代品。器官培养和细胞系培养在扩增人体组织细胞的能力方面有共同之处，但这些模型在多个维度上不同，包括它们的拓扑结构、细胞组成和与亲本组织的相关性(图3)。
图3|器官和细胞系之间的区别。从显示中度分化的肿瘤中衍生出器官(上图)和细胞系(下图)的说明性例子。类器官在培养过程中和作为异种移植瘤保存分化的结构，如腺体和筛状结构。相反，细胞系培养只能使培养熟练的细胞扩增，这些细胞通常形成未分化的异种移植物。
器官和细胞系之间的这些不同之处表明，这些模型可以在不同的领域利用它们的优势。组织相关器官是研究健康和疾病中人体组织的生物学和生理学以及在精密医学和再生医学等临床实践中潜在应用的一种较好的模型。然而，细胞系可用于其他领域，如细胞生物化学研究，以研究分子相互作用和修饰。生物同源和可扩展的细胞系可以致力于提供专门的培养副产品，例如，作为条件培养基和其他类型细胞培养的饲养器。由于细胞系生长均匀，包括大规模基因筛选在内的高通量遗传干扰分析也有利于细胞系。因此，器官和细胞系是不同的，但不是完全排斥的，这些模型是否适当使用在很大程度上取决于研究的目的。
针对特定正常组织优化的器官培养条件持续地使常见组织来源的病变上皮得以扩张。这种能力使我们不仅可以将一系列疾病作为活组织模型来处理，还可以克服由于疾病组织可获得性有限而造成的实验障碍。虽然使用人类疾病组织的探索性研究传统上受到许多原因的影响，如对象疾病的稀有性、目标组织的解剖学可及性差以及伦理问题，但即使是从针刺活检取样的微小组织中也可以扩增出的器官，提供了丰富的疾病组织资源，可以直接用于各种下游应用(图4A)。
图4|器官的癌症模型。
除了在癌症研究中的应用外，患者衍生的类器官还弥补了受罕见的可遗传单基因疾病影响的有活力和功能性的人类上皮组织的稀缺。
在许多人类疾病中，非上皮细胞经常与上皮细胞发生物理或间接的相互作用，以改变疾病的表现。探索不同细胞群体之间的这种相互作用可能是具有挑战性的，因为刻板印象中的器官完全由上皮细胞组成。为了了解疾病生态系统中的细胞多样性，以前的研究已经将非上皮细胞纳入了器官培养系统(图5)。
图5|类器官共培养应用。A、胰腺癌器官与CAFs共培养。游离的器官和CAF的混合物自组织并形成单一的覆盖有CaF的器官。B，免疫细胞-器官共培养的一个例子。癌症有机物与自体T细胞共培养可诱导T细胞的肿瘤反应性。C、类器官-病原菌共培养系统和通向类器官管腔一侧的通道。
在小鼠肠道器官的长期培养取得成功的这十年里，可能是3D培养和细胞技术编年史上最千变万化的时期之一，研究人员努力从用现有方法难以培养的组织中提取细胞，同时主要是作为一种资源获取患病的细胞，这可能是3D培养和类器官技术编年史上最千变万化的时期之一，研究人员努力从用现有方法难以培养的组织中提取细胞，同时主要将患病的细胞作为一种资源。
现在，每个最终使用者都可以获得健康和患病的组织作为细胞，并可以将这种高保真的工具用于各种目的，因此，未来十年类器官研究的首要任务将是建立实用的舞台，使有细胞能够最大限度地释放其潜力。如上所述，目前人类疾病的器官模型基本上是为了研究控制疾病表型的细胞内在因素或环境因素而调整的。将基因工程与疾病环境的有效模拟相结合，可能会更深入地探索人类疾病的这种二重性。
从更临床的角度来看，使用基因校正的细胞进行组织置换在恢复因致病基因变异而受损的重要组织功能方面有很大的希望。纠正囊性纤维化患者气道器官中有缺陷的CFTR并进行移植，可能会减轻呼吸道并发症。利用空间分辨的单细胞RNA测序和单细胞蛋白质组学对干细胞生态位进行深度剖析，也将有助于开发具有高生物活性和细胞相容性的器官培养系统，并促进临床级有细胞的生产，为移植使用做好准备。
如上所述，尽管器官和干细胞研究固有的几个科学、技术和伦理分支尚未得到解决，但我们对细胞组织研究的未来持乐观态度，并相信，与其他技术的进步一起，将继续在生物医学科学中开辟新的天地。