类器官可由组织干细胞、原代细胞或多能干细胞在三维环境中自组织形成，并部分重建器官的细胞组成、空间结构和功能特征，为人体发育、疾病机制和药物反应研究提供更接近体内状态的模型。

        关键词：类器官；三维培养；成体干细胞；多能干细胞；细胞外基质；生长因子；组织特异性标志物；疾病建模；药物筛选；再生医学

1 类器官模型的生物学基础与技术特征

1.1 类器官的基本定义

        类器官是由干细胞、祖细胞或具有组织重建能力的原代细胞在三维培养条件下形成的细胞结构。与普通细胞球不同，类器官通常具备多种组织相关细胞类型，并表现出一定的细胞极性、空间分区、组织特异性基因表达和功能活动，但其结构复杂度和成熟程度通常仍低于完整器官。

1.2 自组织与谱系分化

        类器官形成依赖细胞增殖、谱系分化、细胞黏附、极性建立和形态发生等过程。细胞在生长因子梯度和细胞外基质的共同作用下，可形成腔样结构、上皮芽生、神经上皮区或组织样分层。自组织并非完全自主，培养体系中的信号组合会显著影响类器官的组织身份和细胞组成。

1.3 类器官与二维培养模型的差异

        二维培养中的细胞受到平面基底限制，细胞极性、细胞间连接和基质信号与体内组织存在较大差异。类器官可保留更多三维结构、细胞异质性和组织特异性功能，适合研究细胞命运和组织反应，但成像、营养扩散、定量分析和批次标准化也更加复杂。

1.4 类器官与器官芯片及异种移植模型

        类器官强调细胞自组织和组织形成，器官芯片侧重流体、机械力和多组织界面的人工控制。类器官移植到动物体内后可获得血管、神经和免疫环境支持，但会引入宿主来源信号。三类模型在结构复杂度、实验可控性和体内相关性方面各有侧重。

2 类器官细胞来源与三维培养体系

2.1 成体干细胞来源类器官

        成体干细胞类器官通常由肠道、胃、肝胆、胰腺、肺、肾脏或生殖道等组织中的干细胞和祖细胞建立。此类模型形成速度较快，能够较好保留供体组织的遗传背景和部分表型，适合患者来源疾病建模和药物敏感性分析，但其细胞类型和发育潜能通常受原组织来源限制。

2.2 多能干细胞来源类器官

        胚胎干细胞和诱导多能干细胞可依次经历胚层诱导、器官前体形成和组织成熟，生成脑、视网膜、肺、肝、胰腺、心脏和肾脏等类器官。该路径能够模拟早期器官发生并产生多种谱系，但培养周期较长，分化批次差异和残留未分化细胞需要严格控制。

图1 iPSC来源类器官的构建、鉴定与研究应用流程

2.3 原代细胞与肿瘤来源类器官

        分离自正常组织、肿瘤组织、穿刺样本或手术标本的原代细胞可形成组织来源类器官。患者来源肿瘤类器官能够保留部分基因变异、组织形态和药物反应特征，但不同克隆的生长优势可能导致长期培养后细胞组成发生选择性改变。

2.4 三维培养方式

        基底膜基质包埋适合多种上皮类器官，悬浮培养和旋转生物反应器有利于神经及多能干细胞来源类器官扩大培养，气液界面培养可增强呼吸道和部分上皮组织分化，微流控系统则可引入流体剪切、组织界面和免疫细胞。培养方式应与类器官是否需要极性、腔道、机械刺激和长期灌流相匹配。

表1 类器官主要细胞来源与培养特点

3 生长因子、小分子化合物与细胞外基质调控

3.1 Wnt、R-spondin与干细胞维持

        Wnt信号可维持多种上皮干细胞的增殖和未分化状态，R-spondin通过增强Wnt受体信号支持肠道、胃、肝胆和部分其他上皮类器官扩增。不同组织对Wnt信号的依赖程度不同，持续高水平Wnt也可能抑制终末分化，因此扩增培养基与分化培养基通常采用不同信号组合。

3.2 EGF、FGF与组织前体扩增

        EGF可促进多种上皮细胞增殖，FGF家族则参与神经、肺、肝、胰腺、心脏和泌尿系统前体细胞形成。FGF2、FGF7和FGF10等因子的作用具有阶段性，例如FGF10可支持部分肺和胰腺祖细胞扩增，但长期使用也可能改变细胞成熟状态。

3.3 BMP、TGF-β与谱系分化

        BMP和TGF-β信号在胚层形成、上皮分化和组织成熟中具有重要作用。Noggin可抑制BMP信号并维持部分组织干细胞，A83-01或SB431542等小分子可抑制TGF-β受体相关信号并支持上皮扩增。信号抑制并非始终有利，在特定分化阶段重新激活BMP或TGF-β可能是形成成熟组织所必需的。

3.4 Wnt激动剂与分化小分子

        CHIR99021通过抑制GSK-3增强经典Wnt信号，常用于中胚层诱导、神经后部化和部分器官前体形成。维甲酸可调节前后轴和器官区域身份，SHH通路激动剂或抑制剂可控制神经和内胚层组织模式化，Forskolin可提高细胞内cAMP水平并用于部分上皮和囊性纤维化功能实验。

3.5 ROCK抑制剂与细胞存活

        单细胞解离会破坏细胞连接并诱导失巢凋亡，Y-27632等ROCK抑制剂可提高多能干细胞和上皮细胞在传代、冻存复苏及重新包埋后的存活率。长期或持续使用可能改变细胞骨架、极性和分化，因此通常在解离后的短时间窗口内使用。

3.6 细胞外基质的结构和信号作用

        细胞外基质不仅为类器官提供三维支撑，还可通过整合素、黏附斑和机械转导调节细胞命运。基底膜基质含有层粘连蛋白、Ⅳ型胶原及其他基质组分，适合类器官建系和扩增；Ⅰ型胶原、层粘连蛋白、玻连蛋白及合成水凝胶则可用于调节基质硬度、降解速度和黏附信号。

4 神经与感觉系统类器官的培养及鉴定

4.1 脑类器官

        脑类器官通常由多能干细胞经神经外胚层诱导形成神经上皮结构，再通过区域化信号生成前脑、中脑、后脑或脉络丛样组织。早期可检测SOX2、PAX6、NESTIN和FOXG1等神经前体或前脑标志物，进一步分化后可检测TBR1、BCL11B、SATB2、MAP2和突触相关蛋白。脑类器官适合研究神经发育和遗传病，但缺乏完整血管和稳定微胶质细胞会限制长期成熟。

4.2 视网膜类器官

        视网膜类器官由多能干细胞经历眼场前体、视杯样结构和神经视网膜分化形成。RAX、PAX6和VSX2可用于评价早期眼场及视网膜祖细胞，CRX、RECOVERIN、RHO以及视锥细胞视蛋白可用于评价光感受器分化。成熟评价除标志物外，还需结合外节样结构、光刺激反应和电生理活动。

4.3 内耳类器官

        内耳类器官通常通过调控BMP、FGF和Wnt信号诱导表面外胚层、耳板和耳泡样前体，再促进感觉上皮和毛细胞分化。PAX2、PAX8和SOX2可提示耳源性前体形成，ATOH1、POU4F3和MYO7A可用于评价毛细胞分化，功能验证可结合机械刺激后的离子流和突触相关结构分析。

4.4 嗅觉及其他感觉类器官

        嗅上皮类器官可由鼻腔组织干细胞或多能干细胞建立，并形成基底细胞、支持细胞和嗅觉神经元。KRT5、TP63可用于评价基底细胞，SOX2、ASCL1反映祖细胞状态，OMP和特定嗅觉受体可用于评价成熟嗅觉神经元，但受体表达的异质性使单一标志物难以代表整体成熟程度。

5 呼吸、消化与内分泌系统类器官的培养及鉴定

5.1 气道类器官

        气道类器官可由气道基底细胞、分泌细胞或多能干细胞来源前体建立。扩增阶段通常维持KRT5、TP63和SOX2阳性祖细胞，分化后可形成SCGB1A1阳性分泌细胞、FOXJ1和乙酰化α-tubulin阳性纤毛细胞以及MUC5AC阳性杯状细胞。气液界面培养常用于促进纤毛形成和黏液分泌。

5.2 肺泡类器官

        肺泡类器官主要关注Ⅱ型肺泡上皮细胞及其向Ⅰ型肺泡上皮细胞分化的能力。NKX2.1和SFTPC可用于鉴定肺泡Ⅱ型细胞，AGER、PDPN和CAV1可用于评价肺泡Ⅰ型细胞样分化。仅检测SFTPC不足以证明肺泡成熟，还需结合表面活性物质分泌、屏障功能和损伤修复能力。

5.3 胃和肠道类器官

        胃肠道类器官多由LGR5阳性成体干细胞建立，Wnt、R-spondin、EGF和Noggin常用于维持扩增。LGR5和OLFM4反映肠干细胞，MUC2、CHGA、LYZ、ALPI和KRT20分别用于评价杯状细胞、肠内分泌细胞、潘氏细胞、吸收细胞功能和上皮成熟。胃类器官还可检测MUC5AC、MUC6、TFF1和胃蛋白酶原等区域标志物。

5.4 肝脏和胆管类器官

        肝类器官可由肝祖细胞、胆管细胞、肝细胞或多能干细胞建立。HNF4A、ALB和甲胎蛋白可用于评价肝细胞谱系，CYP3A4、尿素合成和白蛋白分泌反映功能成熟；KRT7、KRT19和SOX9则常用于胆管上皮鉴定。多能干细胞来源肝类器官往往具有胎儿样特征，需要进一步优化代谢和血管环境。

5.5 胰腺类器官

        胰腺类器官可形成导管、腺泡或内分泌细胞样结构。PDX1和NKX6.1反映胰腺祖细胞，KRT19和SOX9用于导管细胞鉴定，AMY2A和PRSS1用于腺泡细胞评价，INS和C肽用于评价β细胞分化，GCG用于评价α细胞分化，SST用于评价δ细胞分化。β细胞成熟应结合葡萄糖刺激后的胰岛素或C肽释放。

        甲状腺类器官可由多能干细胞或甲状腺组织来源细胞建立。NKX2.1与PAX8共同表达可提示甲状腺滤泡谱系形成，TG、TPO、TSHR和SLC5A5可用于评价滤泡细胞分化。成熟甲状腺样结构还应表现出滤泡极性、碘摄取和甲状腺激素合成功能。

6 心血管、泌尿与生殖系统类器官的培养及鉴定

6.1 心脏类器官

        心脏类器官通常由多能干细胞经中胚层和心脏祖细胞阶段分化形成，可包含心肌细胞、内皮细胞和间充质细胞。NKX2.5、GATA4和TBX5可用于评价心脏祖细胞，TNNT2、ACTN2、MYL7和肌球蛋白重链用于鉴定心肌细胞。收缩频率、钙瞬变、动作电位和药物反应比单纯标志物更能反映功能成熟。

6.2 血管类器官

        血管类器官可模拟内皮管腔、周细胞包绕和部分微血管网络。PECAM1/CD31、CDH5、VWF和EMCN用于内皮细胞鉴定，PDGFRβ、CSPG4和RGS5可反映周细胞或血管壁细胞。屏障通透性、灌流能力和对血管生成刺激的响应是重要功能指标。

6.3 肾脏类器官

        肾脏类器官通常由多能干细胞经中间中胚层和肾单位祖细胞阶段形成，可产生肾小球样和肾小管样结构。PAX2、LHX1和SIX2反映早期肾脏前体，WT1、NPHS1和NPHS2用于足细胞鉴定，LTL用于近端小管，EPCAM和CDH1用于远端上皮，UMOD可提示髓袢升支样分化。肾脏类器官常存在细胞成熟不足和非目标谱系混入。

6.4 膀胱和尿路上皮类器官

        膀胱类器官可由尿路上皮干细胞或多能干细胞建立，KRT5、KRT14和TP63反映基底细胞，KRT8、KRT18、UPK1A和UPK3A用于评价表层尿路上皮分化。屏障完整性、尿素耐受和紧密连接功能比单一尿路上皮蛋白表达更能反映组织成熟。

6.5 子宫内膜和输卵管类器官

        子宫内膜类器官多由腺上皮细胞建立，可长期保留激素响应。EPCAM、KRT8、KRT18和MUC1用于上皮鉴定，FOXA2可反映腺体分化，ESR1和PGR用于评价雌激素与孕激素响应。输卵管类器官可检测PAX8阳性分泌细胞和FOXJ1阳性纤毛细胞。

6.6 卵巢、睾丸与前列腺类器官

        卵巢和睾丸类器官可用于研究生殖细胞与支持细胞互作，但体外重建完整配子发生仍具有较大难度。前列腺类器官可检测KRT5、TP63等基底细胞标志物以及KRT8、KRT18、AR和KLK3等腔面上皮标志物，适合研究雄激素信号和前列腺肿瘤。

7 类器官分化状态与组织特异性标志物评价

7.1 标志物组合评价原则

        类器官鉴定不能只依赖单一标志物，应同时评价组织身份、细胞谱系、分化阶段和空间定位。同一蛋白可能在多个组织或发育阶段表达，例如SOX2可见于神经前体、气道祖细胞和部分感觉上皮，因此需要结合区域特异性标志物、形态结构和功能读数进行判断。

7.2 未分化细胞与祖细胞评价

        多能干细胞来源类器官需要监测OCT4、NANOG、SOX2和TRA-1-60等未分化标志物，避免残留多能细胞过度扩增。组织祖细胞则应采用对应谱系标志物评价，例如神经系统的PAX6和NESTIN、肠道的LGR5和OLFM4、肺的NKX2.1和SOX9、肾脏的SIX2与PAX2。

7.3 终末分化与成熟评价

        终末分化标志物只能说明特定表达程序被激活，不能单独证明细胞已达到成人组织成熟水平。成熟评价应结合代谢、分泌、电生理、屏障、收缩或运输功能，并与胎儿组织、成人组织或原代细胞进行表达谱比较。

表2 主要器官类器官的代表性鉴定标志物与功能读数

8 类器官在疾病建模、药物筛选与再生医学中的应用

8.1 遗传病与发育异常建模

        患者来源诱导多能干细胞类器官可保留致病变异，并模拟神经发育异常、遗传性视网膜病、囊性纤维化、多囊肾和代谢性疾病。通过基因编辑修复致病变异或在正常细胞中引入同一变异，可建立等基因背景对照并区分基因效应与供体背景差异。

8.2 感染与炎症研究

        呼吸道、肠道、肝脏和神经类器官可用于研究病原体进入、组织嗜性、细胞损伤和宿主免疫反应。仅含上皮细胞的类器官无法完整模拟免疫反应，通常需要加入免疫细胞、成纤维细胞或微生物共培养，并控制病原体接触的顶端或基底侧方向。

8.3 肿瘤建模与个体化药物反应

        患者来源肿瘤类器官可用于比较化疗、靶向药和联合治疗反应，并研究耐药克隆形成。类器官药敏结果仍会受到基质、培养因子和缺少免疫及血管环境的影响，因此不能直接等同于患者临床反应，需要结合分子分型和临床资料进行判断。

8.4 药物筛选与毒性评价

        类器官可在保持一定组织功能的条件下开展多剂量和多时间点筛选。肝、肾、心脏和神经类器官适合评价器官特异性毒性，多器官芯片可进一步分析代谢产物和器官间相互作用。筛选体系需要控制类器官尺寸、细胞组成和读数时间，避免形态差异造成假阳性或假阴性。

8.5 再生医学与细胞替代

        类器官可作为组织修复、细胞移植和生物材料研究的细胞来源。移植应用需要解决血管化、免疫排斥、组织整合、未分化细胞残留和长期遗传稳定性等问题。现阶段类器官在再生医学中的价值更多体现在修复机制和移植可行性研究，而不是简单替代完整器官。

8.6 生物样本库与精准医学

        建立具有明确临床信息和分子特征的类器官样本库，可用于比较不同患者、疾病亚型和治疗方案。样本库质量不仅取决于类器官数量，还取决于原组织信息、病理诊断、培养条件、传代历史、冻存批次和分子质控数据是否完整。

9 类器官培养、分化与鉴定相关产品

9.1 三维基质、组织解离与培养添加产品

9.2 类器官信号调控与谱系分化小分子

9.3 生长因子与培养质量评价产品

        类器官是否能够代表人体器官，不能仅依据其三维外观或少数分子标志物判断。可靠的类器官模型应同时具备明确的细胞来源、可重复的培养体系、合理的细胞组成、组织特异性空间结构和可验证的生理功能，并根据研究目的选择适当的成熟程度与模型复杂度。

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[1] 类器官芯片概述

[2] 类器官新用途