翻譯：吳智明醫生

稽核：廣州中醫藥大學第一附屬醫院 王海彬教授

自組織：類器官形成的基礎

類器官方法建立在經典發育生物學以及細胞解離和重新聚集實驗的廣泛基礎之上（圖1A）。目前為止已經採取了兩種不同的方法來重構組織。體內細胞運動的檢查揭示了組織形態發生過程中細胞分離成離散域的機制。此過程已在果蠅翅盤中進行了廣泛研究，其中果蠅的翼片之間透過相互抑制的相互作用建立了前後邊界。在中腦-後腦邊界的脊椎動物胚胎髮育過程中，也發生了類似的過程，該過程隨後成為後續組織形態發生的組織手段。

圖1

（A）導致各種類器官方法論的歷史上的關鍵事件。（B）與多能幹細胞的自組織的範例的比較。畸胎瘤在體內發展為各種組織，或者是自發性腫瘤，可以在動物和人類中產生，也可以是從齧齒類動物宿主中注射的PSC產生的。胚狀體是幹細胞的3D聚集體，可自我組織形成組織，在許多方面類似於畸胎瘤，但在體外形成。類器官是類似的3D體外組織，但在特定條件下被驅動以生成單獨的分離組織。

理解組織模式的第二種方法是組織的解離和重新聚集，以檢查體外細胞的相對形態發生運動（圖2A）。這種方法已經應用於幾乎所有的發育中脊椎動物器官的一些經典研究與小雞胚胎組織（圖1A）。結果指向細胞在重組和解離的過程中的一種普遍的能力稱為"細胞分選"，能夠形成和體內組織特性相似的結構。例如，從1960年代初期開始的研究就利用了發育中的雞腎的解離細胞形成幾乎可完全重現腎臟發育的重聚集體。

這種器官自組裝的基礎似乎是由具有相似粘附特性的細胞分離為實現熱力學最穩定模式的區域（圖2A）。被稱為斯坦伯格的差異粘附假設（圖1A），該理論得到一系列體外細胞混合實驗的支援。差異粘附是透過細胞表面粘附蛋白介導的，例如，在分離脊椎動物神經和表皮外胚層中，差異的上皮細胞和神經由鈣粘蛋白表達介導細胞進行分選。

可以影響組織形態發生的第二種機制是適當的空間受限祖細胞命運決定（圖2B）。一個很好的例子是發育中的脊椎動物視網膜，其中神經上皮細胞產生了複雜的譜系，該譜系以時間和空間受限的方式產生了視網膜的各個層。這種分層取決於正確的幹細胞分裂取向，對稱和不對稱分裂的相互作用，並且分化的子細胞遷移到組織內限定的位置。值得注意的是，這種組織也可以在體外解離和重新聚集後重新復現。這表明視網膜分層不僅取決於細胞的分選，而且取決於視網膜祖細胞對譜系決定的正確執行。

圖2 自組裝原理

（A）細胞分選描述了細胞向不同域的運動。不同的細胞型別（紫色或綠色）會自行分類，因為不同的細胞粘附分子（表示為棕色或橙色條形）的差異表達賦予它們不同的粘附特性。（B）有限空間內的細胞系定型也有助於體內和類器官的自組織。祖細胞（綠色）產生分化程度更高的子代（紫色），由於組織和/或分裂方向的空間限制，它們被迫進入促進其分化的更表面的位置。這些細胞有時可以進一步分裂，以產生更多分化的後代（粉紅色），並進一步移位。

在控制自組織的過程中，細胞分選和組細胞譜系的確定的結合在稱為畸胎瘤的腫瘤中尤為明顯。畸胎瘤從種系的多能幹細胞（PSC）發育而來，因此表現出各種組織化的組織（圖1B）。這些包括表皮，神經組織，腸道和骨骼，以及眼睛和四肢。這些組織從PSC的自發發展大概是由於細胞分選和組細胞譜系的確定。類似地，這兩個過程允許在類器官中看到自組織（框1）。

在許多方面，類器官代表了體外類胚體（EB）在方法上的演變，與早期畸胎瘤相似（圖1B）。EB是PSC的3D聚集體，其以與妊娠前胚胎幾乎相同的方式經歷初始發育過程。EB可以進一步分化形成各種有組織的組織，就像畸胎瘤一樣。但是，它們在體外的生長應用類似因子來驅動特定的身份。並非所有的類器官方法都存在初始類胚體階段，但它們都涉及外源組織重塑並最終重新聚集以形成3D自組織組織，即類器官。

由於三維培養環境的生長活動日漸增多，類器官中的自組織是可能的。這一運動最早由以下細胞發現：上皮細胞，例如腎臟或乳房上皮細胞，當嵌入細胞外基質水凝膠中時可能會發展成小管和導管。同樣，類器官通常使用這種凝膠，特別是Engelbreth-Holm-Swarm腫瘤系分泌的富含層粘連蛋白的細胞外基質，也稱為基質膠。

所得的自組織結構表現出典型的組織結構，但請注意它們是高度異質的。因此，每個類器官是唯一的，並且表現出通常是隨機的組織區域的相對位置，這可能是由於缺乏胚軸形成所致。例如，腦類器官顯示出各個大腦區域，它們分別與體內的那些區域非常相似地發展，但由於缺少前後軸和背腹軸，因此彼此之間的組織並不緊密。同樣地，腎臟類器官會產生與腎單位段區域相對應的腎小管，但它們是隨機放置的，而不是顯示髓質和皮質組織。這種異質性使得難以生成單一細胞型別的純種群，但它可以成為在整個器官範圍內模擬發育和疾病的強大工具。

圖3 類器官方法概述

迄今為止，類器官分化方法是從人類PSC開發出來的。指出了祖細胞身份的推導條件和生長因子。對於神經外胚層，使用無血清的基本培養基。KSR是剔除血清的替代品，是無血清促進生長的替代品。限制其使用以及溶解在培養基中的低濃度基質膠會促進視網膜神經上皮，而較高的KSR和嵌入純基質膠會促進大腦各個區域的形成。腎臟類器官有幾種生成方法，但顯示了共同的生長因子。

表1 ：各種器官的體外自組織組織的當前技術水平（擷取骨器官部分）。

圖4 類器官的治療潛力

類器官可以用來模擬疾病（左上圖），例如模擬具有腦類器官的神經發育障礙。然後，可以將這些型別的疾病模型用於體外測試藥物功效，然後再轉換為動物模型（右上圖）。可以在肝類器官中測試藥物化合物的毒性和代謝特性（右下框）。最後，可以從患者細胞中製備類器官，以提供自體移植解決方案（左下框）。

類器官有潛力為臨床中的細胞甚至整個器官替代策略提供替代方法（圖4）。類器官可以為移植提供自體組織來源。在這方面，腎臟類器官具有巨大的治療潛力，因為這是終末期衰竭率最高的器官，導致器官移植的最高需求。Taguchi等人已經有。在成年小鼠的腎囊下成功移植了腎臟類器官，這導致了血管形成，這是朝著替代策略邁出的有希望的一步。

另外，視網膜類器官可用於治療某些型別的視網膜變性和失明。確實，幹細胞療法的臨床試驗已經在進行，以取代某些退化性的視網膜細胞型別。視網膜類器官可以提供一種替代方法，該方法可以更好地再現發育過程，並因此選擇特定細胞型別進行移植。最後，腸類器官可以為損傷後或切除病變組織後替換受損結腸提供治療選擇。值得注意的是，腸類器官移植已在小鼠中進行，並且受傷後可以促進結腸癌修復。在現代遺傳基因缺陷的情況下，使用現代基因組編輯技術，用修復的組織代替受損的器官，類器官的方法甚至可以進行基因校正。

儘管很明顯類器官有很多潛在用途，但重要的是要記住它們的當前侷限性。特別是，迄今為止建立的所有類器官系統仍需就體內發育的再現程度進行提高。例如，儘管視網膜類器官很好地顯示了典型的層狀組織，但外部節段卻未能形成。例如，感光體不能完全成熟以變得對光敏感。同樣，大腦類器官在大腦發育中概括了相當早的事件，但後來的特徵（例如皮質板層）未能完全形成。

成熟的問題似乎是類器官技術中的一個普遍障礙，並且是否會顯著影響其治療和研究潛力還有待觀察。已顯示人類腸類器官具有成熟腸的特徵，可產生Lgr5 +成體幹細胞。一旦異位移植或可用於治療目的，其他類器官也許可以被誘使完全成熟。這些研究可能會成為未來類器官研究的主要重點。

最後，缺乏血管化通常是體外類器官的問題。由於養分供應的限制，類器官的生長潛力有限，這也可能影響其成熟。血管化是整個組織工程中的一個問題，並且已經採取了各種方法來解決它。就類器官而言，旋轉的生物反應器可以提供更好的營養交換，最大尺寸可達幾毫米。或者，與內皮細胞共培養可產生血管樣網路。然而，也許最有前途的解決方案是這些組織的移植，就像對肝芽和腎臟類器官所做的那樣，它刺激了宿主血管的入侵。

總體而言，類器官作為藥物測試工具和治療方法，具有巨大的潛力來模擬發育和疾病。毫無疑問，未來的努力將使他們更加接近實現這一潛力。

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.