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编译丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

在过去的十年中,类器官(Organoid)研究进入了一个黄金时代,这也标志着生物医学领域发生的关键转变。2023年可以称为类器官研究的一个里程碑,在这一年里发表了数千篇类器官研究论文,反映了类器官研究热度的指数级增长。然而,与这种蓬勃发展的快速扩张相比,仍缺少对类器官全面且准确的概述。

近日,复旦大学附属中山医院曹鑫、中国科学院高能物理研究所何潇、澳门大学健康科学学院邓初夏、礼升生物韩欣欣、蔡春晖、上海中医药大学附属龙华医院邓玮等人,在 The Innovation 期刊发表了题为:Landscape of human organoids: Ideal model in clinics and research 的研究论文。

该综述为快速发展中的类器官领域提供了一个全景图,从8个独特的优势点仔细分析了类器官领域,作者们利用在学术研究、工业应用和临床实践方面的丰富经验,深入探讨了类器官技术的进展,该综述跨越了类器官的历史起源及其对各个生物医学领域的变革性影响,包括肿瘤学、毒理学和药物开发。该综述还深入研究了类器官与前沿技术(例如合成生物学、单细胞组学)之间的协同作用,并讨论了它们在定制个性化医学、提高高通量药物筛选和构建生理学相关疾病模型中的关键作用。

该综述全面分析和反思性论述深入探讨了类器官技术的现有前景和新兴趋势,重点关注技术创新、方法学演变和应用范围的扩大,强调类器官在个性化医学、肿瘤学、药物发现和其他领域的革命性影响。展望未来,论文作者谨慎预测了类器官研究领域的未来发展。这一全面综述将成为对个性化医疗策略有浓厚兴趣的研究人员、临床医生和患者的宝贵财富。对类器官技术的当前和前瞻性能力提供了广泛的观点,涵盖了当前和未来的广泛应用。

总的来说,该综述通过对类器官领域进行的全面探索,提供可能对当前研究人员和临床医生有用的思考、总结和预测,并希望为塑造类器官这一动态和快速发展的研究领域的演变轨迹做出贡献。

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类器官技术,使用来自干细胞的三维培养物以模拟天然器官的结构和功能,这代表了生物医学科学的一项重大进步,为人类生理和病理学提供了革命性视角。类器官技术深刻影响了各个领域,尤其是肿瘤学和再生医学,表现出无与伦比的适应性和精确性。

类器官,本质上是器官的微型版本,为理解人类生物学提供了一个高度生理学相关的模型。这一相关性在药物开发领域尤其关键,而传统模式在这一领域往往达不到要求。与二维细胞培养或动物模型相比,类器官能够更准确地反映人体组织,从而实现更可靠、更高效的药物筛选和功能验证。这一特征在癌症研究中尤其有价值,因为类器官可以模拟肿瘤微环境,从而帮助我们了解肿瘤-免疫相互作用和宿主-病原体动力学。

类器官模型可在体外模拟人体器官复杂的生物学过程,临床逼真度高于传统模型。这一特性使药物的快速功能检测成为可能,提高了从药物发现到临床应用的效率。此外,类器官为体外基因编辑疗法提供了一个新平台。利用CRISPR-Cas9和其他基因编辑工具,研究人员可以使用类器官来模拟遗传性疾病和测试治疗策略,显著推进了个性化医疗领域。这些都强调了类器官在生物医学科学中的变革潜力。

在未来,类器官还将在促进我们对人类生物学的理解方面发挥关键作用,从细胞自组织进化到与合成生物学和人工智能(AI)等技术的集成,为药物发现、疾病建模和个性化医学等领域提供巨大潜力。类器官技术的进步继续打破障碍,提供了曾经被认为无法实现的见解。该综述不仅探讨了类器官技术的现状,而且展望了类器官对未来生物医学研究的深远影响。

类器官历史

类器官研究可以在追溯到20世纪初,1907年,H.V. Wilson 的观察标志着类器官研究的开始,他揭示了分离海绵细胞的自组织和再生。1981年首次从小鼠胚胎中分离出多能肝细胞(PSC),1998年首次从囊胚中分离人类胚胎干细胞,2000年代,iPSC技术的出现进一步革新了干细胞领域。2009年,Hans Clevers教授创造了“Organoid”一词,他使用来自小鼠肠道的成体干细胞培育出首个肠道类器官,开创了类器官研究时代。

总的来说,类器官研究在生物医学领域开创了一个新时代,提高了我们对生命、疾病和治疗的理解。

类器官的历史与发展

类器官——超越传统生物医学模型

生物医学领域的研究者们,在不懈地追求理解生命的复杂性的过程中,长期以来一直在寻找能够反映人类生理学和病理学的模型。

而类器官模型是现有生物医学模型(细胞系、患者来源的原代细胞培养、动物模型、患者来源的异种移植模型、遗传操纵的动物模型)的显著改进。类器官模型重新定义了生物医学模型的格局,提出了一种更符合生理学的相关替代方案。与其他模型相比,类器官模型不仅具有更短的构建周期和更高的成功率,而且在保留患者个体化组织特征方面表现出色。

类器官代表了现有生物医学模型的重大改进

类器官解决肿瘤学临床难题

类器官技术引入了新一代详细而准确的模拟,捕捉了复杂疾病(例如癌症)固有遗传特征和异质性。类器官模拟不同患者特异性反应的能力有助于剖析肿瘤的多面性,为靶向治疗干预铺平了道路。目前已建立了包括乳腺癌、胰腺癌、胃肠道癌、肺癌、前列腺癌、卵巢癌和膀胱癌等各种人类癌症类器官,并能够用于准确预测癌症患者对靶向疗法和化疗的反应。此外,基于类器官的临床试验在国际上风头正劲,尤其是美国和中国,处于类器官临床研究的前沿。

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类器官解决肿瘤学临床难题:开创性模型、疗法和临床试验

合成生物学和类器官技术的交叉

合成生物学的进步包括使用聚乙二醇和透明质酸等材料创造可调节的合成基质,以增强类器官的生长和功能。生物工程水凝胶在促进细胞分化和类器官结构形成方面发挥了至关重要的作用。类器官技术正在合成生物学产品的生产中开辟一个新的市场,并有望在未来推动创新药物和治疗策略的发展。类器官是三维多细胞结构,通过复制实际器官的活动,为增强和简化合成药物的筛选程序提供了独特的前景。

总的来说,合成生物学和类器官研究的融合代表了生物医学的巨大进步,为研究和操纵类器官提供了新途径。这一交叉点将重塑我们对人类生物学和疾病的理解,为变革性的临床应用和生物医学研究的发展铺平了道路。

合成生物学与类器官的交叉融合

类器官:毒理学研究的革命性进展

毒理学研究在评估药物、工业化学品、化妆品和食品添加剂的安全性方面具有重要作用,传统上依赖于动物模型和二维细胞培养。而现在,类器官可以帮助定义个体对各种毒素的易感性,可以通过促进个性化风险评估和干预策略来改变毒理测试。类器官模型的潜在应用还进一步扩展到环境毒理学领域,类器官促进了环境毒素如何影响人类健康的研究。例如,肺类器官已被用于研究空气污染颗粒对肺组织的影响,提供了人类肺暴露于环境危害的现实表现。包括微流控和高通量筛选系统在内的技术进步,为类器官毒理学研究带来了光明前景。

总的来说,类器官模型在毒理学中具有巨大的潜力。解决标准化、可扩展性、生理相关性和伦理考虑的挑战将是充分利用类器官在毒理学研究中的关键。随着技术的不断进步和跨学科合作,类器官模型提供了革新毒理学的机会,导致对有害物质的更准确和更有效的测试,从而显著增加人类健康和安全。

类器官:改变毒理学研究领域

类器官时代:药物开发的范式转变

类器官技术在新药的开发和评价中发挥了关键作用。虽然类器官不直接参与新药的开发,但它们对于通过药物筛选和测试发现有前景的候选药物至关重要。在高通量药物筛选中,类器官的出现通过从大型化合物库中靶向识别有效分子,已经改变了药物发现。

总的来说,类器官技术推动了药物开发的各个阶段,类器官为药物开发整个过程中提供广泛的协助,类器官还帮助优化了药物开发成本、提高了效率。与传统方法相比,类器官代表了药物开发的范式转变。

类器官时代:药物开发的范式转变

类器官全面推进生物医学领域

随着类器官技术的出现,生物医学研究领域取得了重大飞跃。类器官的多功能性和适应性使其成为广泛研究应用的宝贵工具,具有重塑治疗方法以应对一系列临床挑战的潜力。类器官的应用极大地扩展了疾病研究范围,技术进步使探索以前无法进入的科学领域成为可能,特别是当涉及到人类特有疾病时。

总的来说,类器官的多功能应用无疑为生物医学研究的突破性进展奠定了基础。随着我们继续拓展类器官的潜力,实验室发现和现实世界临床应用之间的桥梁变得更加牢固。未来将是一个以类器官为核心的个性化医学新时代,为无数临床挑战提供希望。

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类器官技术在生物医学中的多方面影响

新技术与类器官集成:引领生物医学新前沿

近年来,新技术的进步进一步增强了类器官系统的能力,并产生了一系列生物学新见解。单细胞组学、成像、遗传学和人工智能的新工具正在与类器官平台集成。这些进步有望带来生物医学领域的重大转变。

新技术与类器官集成

结论和展望

类器官技术的出现标志着生物医学研究的一个分水岭,超越了以前科学探究的边界。这一创新彻底改变了我们对人类生物学的理解,并在疾病管理方面引入了前所未有的途径,解决了曾经被认为是不可逾越的障碍。在这个新兴领域的前沿,似乎有着无限可能,类器官技术正在重塑医疗保健、研究方法和与人类生命相关的伦理考量。

在该综述中,作者们强调了类器官的多方面影响,强调了它们在个性化医学、药物发现和疾病建模中的实用性。类器官系统的定制性质,特别是患者来源的类器官,已经引入了生物医学研究的精准新时代。通过模拟人类器官的复杂结构和功能,类器官为人类生理学和病理学提供了更具代表性的模型,超越了传统的体外和动物模型。类器官复制复杂生物过程的能力(例如肿瘤-免疫微环境和宿主-病原体相互作用),使它们成为进一步阐明疾病机制和治疗反应的先锋。

展望未来,类器官与合成生物学、人工智能和基因编辑等前沿技术的整合预示着生物医学创新进入了一个变革性的阶段。这种协同作用有望开启新的治疗途径,推进药物开发,并为复杂疾病提供深刻的新见解。类器官作为快速药物测试和功能实验平台的潜力,加上它们与基因编辑技术的兼容性,标志着医学研究的量子飞跃。总之,类器官技术站在生物医学领域革命的前沿。它对人类社会的影响将是深远的,其未来的应用似乎是无限的。随着研究人员和临床医生继续利用这项技术的力量,我们预计未来将充满突破性的发现和创新的治疗方法,最终重塑我们理解和治疗人类疾病的方法。

韩欣欣、蔡春晖、邓玮为论文共同第一作者,曹鑫、何潇、邓初夏、韩欣欣为论文共同通讯作者。

论文链接

https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00058-4