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Nature Methods 如此評價類器官（Organoids）技術：利用幹細胞直接誘導生成三維組織模型，為人類生物學研究提供了強大的方法，目前對於這種工具的研究正在不斷髮展進步中。
類器官（Organoid）是在體外用3D培養技術對幹/祖細胞進行誘導分化形成的在結構和功能上都類似目標器官/組織的三維細胞複合體。類器官其具有穩定的表型和遺傳學特徵，能夠在體外長期培養。
類器官是2017年度Nature Methods評選的方法, 細胞可來源於人體，結構類似於器官，則可以作為接近人體的研究模型, 進行科學研究和藥物篩選。
1 類器官的培養
成體幹細胞衍生的類器官培養，通常是將製備好的成體幹細胞單細胞懸液，加入到細胞外基質（ECM）水凝膠中來建立的。例如腸道類器官，從小腸或結腸分離出的隱窩細胞可以培養出類器官，從分離的成人腸幹細胞中也可以培養出類器官。
上皮類器官的培養基是以添加與其器官相關的生長因子培養基為基礎的。因此，從不同組織(如呼吸道、肝臟、胰腺、皮膚、膀胱、大腦、心臟)提取的細胞，要在培養基中補充相關生長因子。
大腦類器官培養過程如下圖：誘導多能幹細胞（iPSC）衍生細胞在神經誘導介質中生長，產生神經外胚層，嵌入凝膠中，並在旋轉生物反應器或軌道搖床中生長，以更好地擴散，獲得三維腦器官。在暴露於維甲酸的情況下，大腦器官通過自我組裝模式，形成自締和組織，形成包括放射狀膠質細胞在內的不同種群的神經祖細胞，這些神經祖細胞擴展形成大腦結構。
大腦類器官培養過程
2 上皮細胞類器官的建立
一般來說，上皮細胞出現在機體和外界最先接觸的器官，比如皮膚，氣管，肺，消化道，是機體對抗病原體侵染的第一層屏障，也是第一個對病原體感染作出反應的細胞。為了維持體內平衡，並提供對感染的快速反應，上皮細胞與免疫細胞密切配合。所以在上皮區域，也是全身免疫細胞濃度最高的區域。
建立上皮細胞和免疫細胞相互作用的模型，是研究抗感染免疫和損傷後免疫的重要手段。
上皮細胞類器官的建立，可以非常精準的模擬機體上皮環境，也被髮展起來研究上皮和免疫細胞相互作用。
有三種共培養的模式
用存在於細胞外基質中的重組細胞因子處理類器官，評價免疫細胞衍生細胞因子對於上皮細胞的影響。如IL-4和IL-13促進叢生細胞分化，而IL-22支持幹細胞增殖和存活。
將器官消化到單個細胞，然後在免疫細胞存在的情況下，再生長。用於評估免疫細胞和免疫細胞衍生的細胞因子（可溶性或膜結合）對器官生長和分化的影響，以及上皮細胞對免疫細胞表型的影響。
在ECM或生長培養基（懸浮培養）中，向完整的類器官中添加（活化的）免疫細胞，如T細胞或固有淋巴樣細胞（ILCs），以評估免疫細胞與上皮細胞之間的相互作用。這些檢測的讀數通常包含消化形成的器官和隨後的轉錄（無論是（單細胞）RNA測序或定量PCR（Q PCR），成像和/或流式細胞術評估上皮細胞和/或免疫細胞表型。在這些共培養中使用的免疫細胞要麼直接從小鼠組織（例如，脾細胞、腸上皮內淋巴細胞、固有層T細胞、固有層ILCs或肺ILC2s）中分類，要麼直接從人外周血中提取，要麼先在體外分化。
胸腺類器官：3 用於研究T細胞發育
胸腺是T淋巴細胞從祖細胞向成熟幼稚淋巴細胞分化的中心部位。來自骨髓的T淋巴祖細胞，在胸腺皮質進行陽性選擇，隨後在胸腺髓質中進行陰性選擇。胸腺由兩種上皮細胞組成：皮質胸腺上皮細胞(cTECs)和髓質胸腺上皮細胞(mTECs)。
3D重建胸腺類器官被證明是模擬其功能的關鍵。幾種胸腺類器官的產生方法：胸腺類器官培養通常是來自人細胞系或胎鼠或新生小鼠胸腺組織，但也有報道稱TEC樣細胞與人胚胎幹細胞的體外分化，這些培養都產生胸腺樣結構。在體外產生活的 T 淋巴細胞，並在移植到裸鼠上時發揮作用。
有趣的是，雖然類似胸腺結構的長時間培養是可能的(離體培養長達56天)，但在連續傳代時，細胞失去了集落形成能力。重要的是，雖然在成年小鼠中已經發現了一種雙能的TEC前體，但含cTECs和mTECs的胸腺器官尚未從單個幹細胞中生成。此外，考慮到小鼠體內某些雙能TEC前體的生長因子已被發現(例如BMP 4和IL-22)，可以嘗試這些因子是否可用於維持TEC的祖細胞來源的類器官。
類器官模型：4 用於病原體感染研究
幽門螺桿菌（一種革蘭氏陰性細菌，胃潰瘍的致病菌），微量注射到人源iPSC來源的胃類器官，在那裡它與上皮緊密相連，並隨後轉移毒力因子細胞毒素相關基因A（CAGA）進入上皮細胞。幽門螺桿菌誘導iPSC衍生的胃器官中表達檢查點PDL1，可能導致免疫逃逸。實際上，在沒有PD1阻斷抗體的情況下，自體細胞毒性T淋巴細胞（CTLs）對類器官沒有任何作用。因而類器官不但可以模擬感染的病理過程，也可以作為模型進行藥物作用機理研究。
類器官模型也被用於艱難梭菌感染腸道上皮細胞，呼吸道合胞病毒感染肺上皮細胞等的研究。
5 類器官模型：用於組織修復和再生
免疫系統也會參與上皮損傷後的組織修復。例如，ILC3細胞（固有淋巴細胞(Innate lymphoid cells，ILCs)）衍生的IL-22保護腸道免受輻射、化療或移植物抗宿主病的損害。如上所述，IL-22獨立於其他因素和Paneth細胞的存在，誘導LGR5 ISCs的存活和增殖。
促炎細胞因子TNF，通過NF-κB依賴的方式促進原代小鼠肝細胞類器官的長期培養，而非IL-6。然而重要的是，小鼠和人的類器官都可以在沒有TNF的情況下生長，這表明雖然低度炎症是上皮再生所必需的，但在穩態條件下不需要。類器官為組織損傷修復及再生提供了類似於機體環境的模型。
6 類器官模型：用於腫瘤微環境研究
兩種主要的方式被使用（以非小細胞肺癌為例）
在整體方法（左）中，腫瘤活檢組織是在氣液界面間環境培養，所有腫瘤細胞類型的細胞懸液，包括內源性免疫細胞和其他非上皮細胞類型，促進腫瘤特異性T細胞的生長。
在還原模擬方法（右）中，上皮類器官是從腫瘤活檢組織中生長出來的，然後與來自同一患者外周血的自體免疫細胞共培養，以促進腫瘤反應細胞的連續擴張。
雖然整體方法，允許包括整個腫瘤微環境的腫瘤材料的培養，因此與體內情況非常相似，但不易長時間維持，而還原模擬方法允許腫瘤上皮的長期培養和擴展，這使得廣泛長期的研究成為可能。
7 類器官：用於藥物篩選
1）促進心肌纖維細胞生長化合物篩選（文獻3 Cell Stem Cell）
動物模型，主要是老鼠，被廣泛用於研究心臟病，提供有價值的結果。然而，由於許多功能和生物學特性的物種差異很大，它們對人類心臟疾病和藥物安全性的推斷很差。
人類多能幹細胞（hPSC）可以為生物醫學和藥物研究提供無限的人類心肌細胞來源，有可能彌合這一鴻溝。
然而，傳統2D培養中的hPSC源性心肌細胞缺乏功能成熟，，這在某些情況下阻礙了它們準確預測人類生物學和病理生理學的能力。多細胞3D人體類器官提供了更精確的模型，是解決這一問題的潛在方法。
澳大利亞昆士蘭大學生物醫學系的科學家在Cell Stem Cell發表文章，闡述他們基於96孔板，培養心臟心肌類器官，進而進行化合物篩選的新流程。
具體流程如下圖
基於類器官，將5000種化合物，篩選出不同功能化合物。
2）特定神經類器官培養及藥物篩選等應用（文獻2）
首先神經球在不同分化培養基種培養（具體的誘導因子及生長因子見下圖），產生大腦，中腦，海馬，前腦等不同腦部類器官。
3）神經類器官的各種應用
物種進化
先天性腦畸形
神經退行性疾病
藥物篩選
疾病病理學研究
主要參考文獻
[1]Yotam E. Bar-Ephraim, Kai Kretzschmarand Hans Clevers，Organoids in immunological research，Nature Reviews Immunology，2019
[2]Tanya Chhibber et al,CNS organoids: an innovative tool for neurological disease modeling and drug neurotoxicity screening,Drug Discovery Today, November 2019
[3]Richard J. Mills et al, Drug Screening in Human PSC-Cardiac Organoids Identifies Pro-proliferative Compounds Acting via the Mevalonate Pathway,Cell Stem Cell 24, 895–907, June 6, 2019
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通俗易懂！一文全面瞭解人體免疫系統！
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科普：人體2萬億免疫細胞與衰老、疾病的關係
如何看待幹細胞微環境影響幹細胞再生能力？
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