以下文章最初于2020年9月8日发表在Technology Networks的Cell Science上在这里．
由Robert Vries博士，Hubrecht Organoid Technology，和Elizabeth Abraham，康宁公司
类器官细胞培养有转化细胞分析在药物发现和基础生物学中通过赋予生理学的相关性在体外基于细胞的生物模型。当提供适当的生长环境，包括适当的培养器皿、生长因子、细胞外基质、营养物质和培养基时，从患者身上收获的器官来源的祖细胞生长并组装成三维结构——类器官——它包含原始组织中通常发现的所有细胞类型，并允许细胞之间的物理和化学相互作用。通过提供更大的生理相关性和物种或患者特异性的测试平台，类器官克服了传统2D培养甚至活体动物疾病模型的许多限制。
类器官来自于器官来源的成人多能干细胞、器官干细胞或癌症干细胞，这些干细胞具有天生的能力，可以扩展和分化成多种细胞类型。类器官生成于数十种组织和器官商业上可用的或通过已发布的协议可获得的包括患者衍生的模型肝心脏，胰腺，大脑，胃肠道，肾脏，以及最近的人类的航空公司适用于药物和疫苗的开发以及人类呼吸道传染病的研究。
行业合作有助于推进类器官研究
Hubrecht类器官技术(HUB)是一家位于荷兰乌得勒支的基金会，致力于先进的类器官技术的商业化和工业化，并在全球范围内分销人类衍生的类器官。HUB's基于Hans Clevers教授的开创性工作，他在2009年首次描述了生长和扩展人类成体干细胞衍生的人类上皮类器官的方法。HUB已经生产并验证了代表结肠癌、乳腺癌、肺癌、肝癌、卵巢癌、膀胱癌和胰腺癌的类器官。此外，HUB还生成了其他疾病的模型，如炎症性肠病(IBD)、慢性阻塞性肺病(COPD)和遗传性疾病，如囊性纤维化(CF)。该公司还引进了成体干细胞衍生的肾类器官，并继续利用成体Lgr5干细胞生成的类器官研究组织发育和癌症的分子机制。
康宁生命科学自2014年起与HUB合作，提供先进的类器官和相关技术。
Clevers博士的技术首次实现了成体干细胞衍生类器官在基因上的稳定扩增，并最终产生了在体外任何病人的任何上皮疾病模型。
第二个关键好处是与转化细胞类似的无限扩张，但没有癌细胞固有的遗传异常。以前，类器官是由胚胎或诱导多能干细胞或肿瘤细胞产生的，这些细胞必须经过基因改造，因此不能代表患者。
在HUB的商业开发下，类器官技术还提供了难以匹配的标准化和一致性，特别是原代细胞培养。来自同一病人的活组织检查在细胞生命周期的不同阶段收集了不同数量的细胞。当在相同的HUB协议下培养时，成年祖细胞产生的类器官具有完全相同的细胞，每次都具有相同的比例、物理配置和遗传，并且具有广泛的扩展能力。
从细胞开始改变
3D细胞培养已经从各种细胞中培养出来，包括转化细胞系和原代细胞。传统的原代细胞培养方法只能扩展几代，因此限制了它们对生物银行或大规模制造的适用性。此外，传统的3D原代细胞培养方法缺乏一致性，可制造性差，使使用它们的研究具有“一次性”特征。此外，聚合原代细胞培养物上的表达分析实验是不可靠的，因为分析必须在聚合物失去完整性之前的有限时间范围内进行。只有允许长期稳定扩展的方法才能生成重新恢复其功能的形态学和相关表达模式在活的有机体内特征。
同样，在塑料上生长的转化细胞也改变了它们的基因表达，以适应组织培养条件。对这种细胞的研究可能是有用的如果调查人员认识到患者的原始基因没有被保存下来。在HUB类器官中，患者的分子足迹得以维持。
在传染病领域，这种方法特别有用。病毒已经进化到可以在正常生理状态下感染和复制细胞。例如，呼吸道合胞病毒(RSV)很容易在类器官中生长，但不会感染转化细胞，因为细胞缺乏相关的受体。
由于这个原因，基于细胞的气道疾病研究(鉴于当前的COVID-19大流行)多年来一直受到阻碍，而且不存在充分扩大原代细胞培养以进行大规模研究的技术。通过保存感染因子的关键细胞表面受体，HUB方法可以研究RSV、人乳头瘤病毒、诺如病毒、冠状病毒、流感、疟疾和许多其他病原体。
传染病中的类器官
即使在COVID-19大流行之前，下呼吸道感染也是全球主要死亡原因之一。人类屏障免疫的啮齿动物模型不充分，通常从呼吸道清除病毒的复杂屏障功能很难复制在体外尤其是在永生细胞中。
上皮细胞是呼吸道中病原微生物的第一个接触点，也是最容易生长为类器官的细胞类型。气道上皮细胞和肺泡细胞上的受体感知感染，通过棒状细胞、纤毛细胞、基底细胞、杯状细胞和神经内分泌细胞启动粘膜屏障免疫，这些细胞共同清除吸入的病原体。
在最近科学纸来自Hubrecht研究所和Erasmus医学中心的研究人员报告了肠道类器官如何帮助他们发现治疗或预防SARS-CoV-2感染的两种潜在途径，这种冠状病毒导致了当前的大流行。已知SARS-CoV-2感染肺部，但临床证据表明，症状学和传播都与肠道有关。例如，在鼻拭子表明感染已消除后，直肠拭子仍含有一段时间的病毒RNA，提示胃肠道感染和可能的粪便-口腔传播。
分化的肠上皮细胞强烈表达病毒进入细胞的血管紧张素转换酶2 (ACE2)受体，其受体水平在肠上皮细胞的刷状边缘最高。令人惊讶的是，病毒同时感染ACE2高表达和低表达的类器官，培养条件对类器官的传染性影响不大。
SARS-CoV-2迅速感染了类器官内的细胞亚群，并且随着时间的推移，感染程度增加。利用电子显微镜观察细胞成分，研究人员在类器官的组成细胞内外发现了病毒颗粒。感染诱导干扰素的释放，一种内源性抗病毒药物，其激活可以作为潜在治疗的靶点。
研究人员得出结论，“肠道上皮细胞支持SARS-CoV-2复制”，人类小肠类器官“可以作为冠状病毒感染和生物学的实验模型”，“人类类器官是研究冠状病毒生物学的忠实实验模型”。
除了药物筛选和毒理学研究外，气道类器官还被用于研究传染病的基本生物学。在一个应用注释，康宁科学家报告说，康宁®Matrigel®细胞外基质促进了患者来源的支气管上皮细胞扩展为适合高通量分析的气道类器官。类器官简化了通常的样品制备程序，简化为单个操作-细胞裂解-消除了基因扩增、cDNA转换和文库制备的正常步骤。
比较正常和哮喘气道类器官，研究人员观察到哮喘气道细胞中促炎趋化因子、受体和其他与炎症相关的蛋白质编码基因的表达增加。他们还发现，来自健康细胞的类器官的基因上调与来自哮喘细胞的类器官的基因下调相同，反之亦然。与正常类器官相比，应用抗炎类固醇地塞米松诱导哮喘类器官上调或下调的程度更大。
康宁的研究说明了类器官在研究有合并症的气道疾病时的多功能性，以及用合适的传染病模型快速反应的能力。
感染性疾病类器官的未来
在一个最近的面试Sanford Burnham Prebys干细胞和再生医学中心主任Evan Snyder医学博士描述了气道类器官在研究COVID-19感染的自然史方面的潜在作用，包括病毒如何从一个细胞转移到另一个细胞，以及预测单个患者结果的潜在能力。斯奈德说:“我们可以用这个模型来确定为什么有些人的情况比其他人差。”“我们可以比较来自男性和女性的类器官;年轻人或老年人;因吸烟或吸电子烟而暴露在各种环境毒素下的人;患有糖尿病、心脏病或肾病的人;甚至是不同种族背景的人或有影响他们对抗感染能力的基因变异的人。如果我们弄清楚为什么这种病毒对某些人的影响不同，我们就有可能创造出量身定制的治疗方法。”
从囊性纤维化患者的成体干细胞中提取的类器官在研究中被证明是有价值的CF病理学并且允许以患者为中心的药物测试，这是HUB Organoids在个性化医疗中的首次使用。对CF患者衍生类器官进行测试，以确定CF患者的药物治疗方法，并进行相应的治疗。
最近对肺上皮细胞白介素-17受体的研究揭示了该细胞因子在急性和慢性炎症中的作用，并证明IL-17受体参与了慢性炎症先天免疫防御预防肺部真菌感染。在活的有机体内， IL-17的表达和免疫功能需要极化上皮细胞。在一个纸出现在2019年免疫学前沿意大利佩鲁贾大学(University of Perugia)的一个研究小组写道，由于肺类器官再现了组织极性，它们“提供了一种令人兴奋的可能性，即使用肺类器官来全面研究肺中的IL-17R信号”，这“可能为开发和测试炎症性疾病的治疗方法提供新的机会，并确定新的分子靶点，以提高对感染的抵抗力”。
作为一门科学学科，类器官将继续朝着更易于使用、一致性、分析并行能力和可制造性的方向发展。类器官和芯片器官已经在一个复杂的多组织视网膜模型在美国，由来自两个或多个器官的类器官组成的系统已经被常规使用。
如果类器官研究继续以目前的速度进行，有理由期待早期药物开发的显著简化，特别是在临床前和一期阶段。类器官可能会消除部分(如果不是全部)动物实验，但这需要已经习惯于审查动物数据及其固有警告的监管机构的信心飞跃。在某种程度上，类器官可能会完全消除“活体”临床前筛查，允许药物开发者完全基于类器官筛查直接招募患者进入二期。
虽然类器官研究不可避免地导致系统更复杂，但研究人员应该记住，验证是患者相关模型的关键。HUB类器官首次允许研究人员开发一个模型，并直接测试它是否与组织起源的患者相似，以及如何相似。随着复杂性的增加，验证步骤应该仍然是模型开发人员和用户关注的焦点。复杂性是好的，但只是在一定程度上。
将类器官推向这些崇高的目标，包括更大的可制造性，将需要细胞培养工具来完成任务。行业合作确保3D细胞培养工具将继续发展，无论是用于一般研究还是应对新出现的传染病的挑战。
