从0到1搭建类器官：来源细胞如何选？要不要支架？用哪种培养模式及信号通路？高阶体系如何搭建？一文全讲清
发布时间:2026-07-06 15:24:04 阅读次数: 次
转自微信公众号：类器官学社
细胞来源如何选择？ 类器官的细胞来源可分为成体干细胞来源及多能干细胞来源。 成体干细胞来源的类器官（即患者来源的类器官，PDO）可直接来源于患者的肿瘤组织，因此其保留了肿瘤异质性，适用于个性化药敏测试。 多能干细胞来源的类器官，即从患者或健康个体获取体细胞，经重编程诱导为诱导多能干细胞（iPSC）后，经体外3D培养形成类器官。这种技术提供了可规模化、可基因工程改造的平台，适用于发育生物学研究和疾病建模。 细胞来源对比 多能干细胞（PSC）途径：从患者或健康个体获取体细胞，经重编程诱导为iPS细胞（可无限扩增），通过CRISPR基因编辑可引入疾病相关突变（可选）。随后进行模式形成/谱系定向分化（数周至数月），利用特定生长因子组合诱导形成外胚层/神经、中胚层或内胚层来源的类器官前体，再经进一步分化成熟（数周至数月），最终形成功能性类器官，包括大脑、海马、小脑、肾脏、血管、肝脏和胰岛等。 成体干细胞（TSC）途径：通过活检获取组织，经胰蛋白酶、胶原酶等消化处理获得单细胞或细胞团，在Matrigel培养基中扩增（数天至数周），形成可扩增、可编辑、具有功能的组织干细胞来源类器官，可进一步分化为消化道、气道、前列腺、肿瘤等组织类型，并可进行基因编辑和功能学检测。
要不要支架？ 类器官培养过程中可使用支架，也可不用支架，两者各有优缺点。 无支架系统操作简便、成本较低，适用于快速成球和药物筛选；支架系统更能模拟体内三维微环境和细胞-基质相互作用，适用于需要复杂结构模拟和长期培养的研究场景。 无支架与支架系统对比 无支架系统包括四种常用方法： (1) 悬滴法利用表面张力使细胞在液滴底部自聚集； (2) 磁悬浮系统通过磁性纳米颗粒在外加磁场作用下使细胞球体悬浮培养； (3) 超低吸附平板培养利用特殊处理表面防止细胞贴壁，促进自发成球； (4) 搅拌式培养通过持续搅动维持细胞悬浮状态并促进营养交换。 支架系统则模拟体内细胞外基质微环境，包括五种方法： (1) 聚合物培养提供结构化支撑； (2) 水凝胶培养（如Matrigel、海藻酸盐等天然材料，或PEG水凝胶、PLGA电纺纤维等合成材料，以及混合水凝胶等生物工程材料）； (3) 脱细胞细胞外基质（ECM）培养保留天然组织支架结构； (4) 肿瘤芯片培养实现微流控精准调控； (5) 长期培养系统支持类器官建立后7-21天的传代维持。 ECM材料主要包含三大类：天然材料（胶原蛋白、纤维蛋白、Matrigel、海藻酸盐）、合成材料（PEG水凝胶、PLGA电纺纤维）和生物工程材料（混合水凝胶、PEG交联胶原蛋白），研究者可根据不同类器官类型和实验需求灵活选择适宜的支架策略。
用哪种培养模式？
培养模式的选择直接影响类器官的极性建立、细胞组成和功能性，气液界面（ALI）模式最适合呼吸道类器官培养以形成具有黏液纤毛清除功能的假复层上皮，而顶端向内/向外（Apical-in/out）模式则更便于观察顶面或基底面的细胞行为。
培养模式对比 以未分化基底细胞为起点，通过四种不同培养模式诱导类器官分化的技术路线： (1) Transwell气-液界面分化（ALI） 利用Transwell小室使细胞基底面接触培养基、顶面暴露于空气，模拟呼吸道等上皮组织的生理极性； (2) 顶端向内分化（Apical-in） 形成具有极性结构的球体，纤毛细胞和杯状细胞分布于外层，基底细胞位于内层； (3) 顶端向外分化（Apical-out） 则呈现相反的空间构型，基底细胞位于中心，分化细胞向外延伸形成纤毛结构； (4) 浸没式分化（Submerged） 将细胞完全浸没于培养基中，适用于不需要气-液界面的组织类型。 四种主要的细胞类型标志物包括：纤毛细胞（FOXJ1、乙酰化α-微管蛋白、β-微管蛋白IV）、杯状细胞（MUC5AC、MUC5B）、棒状细胞（SCGB1A1）和基底细胞（TP63、KRT5、KRT14），这些标志物可用于鉴定分化程度和细胞组成，研究者可根据目标组织的生理特性和实验需求选择最适宜的培养模式。
信号通路怎么选？ 不同类器官类型依赖特定的信号通路组合，Wnt和Notch是肠道类器官的基础，机械信号（PIEZO）和细胞骨架（YAP）对肝脏和耳蜗类器官至关重要，而NF-κB通路的异常激活则与肿瘤类器官的耐药性密切相关。 理解这些通路有助于优化培养基配方和建立更生理相关的类器官模型。 信号通路对比 Wnt/β-catenin通路：Wnt配体结合Frizzled和LRP5/6受体，抑制GSK-3β活性，阻止β-catenin降解，使其入核激活细胞增殖相关基因，主要用于肠道类器官培养； Notch通路：Delta/Jagged配体激活Notch受体，经切割产生NICD入核与CSL结合，调控肠道类器官的细胞分化； Integrin-FAK-SFK-YAP通路：整合素介导的细胞-基质粘附激活FAK和SFK，调控肌动蛋白骨架和YAP入核，促进肝脏/耳蜗类器官分化； PIEZO1/2-ERK1/2通路：机械敏感离子通道PIEZO1/2介导Ca²⁺内流，经ERK1/2去磷酸化激活KLF2，调控耳蜗类器官分化； TNF-NF-κB通路：TNF激活IKK复合物，促使IκBα降解，释放p50/p65入核，与乳腺癌类器官的治疗抵抗相关； TGF-β/Smad通路：TGF-β配体结合受体I/II，经SARA招募Smad2/3磷酸化后与Smad4形成复合物入核，调控肠道类器官分化。 这些信号通路的精确调控是类器官成功建立和维持其组织特异性功能的核心。
复杂程度怎么选？
类器官技术正从单一上皮结构向"多细胞、多器官、智能化"方向发展，通过整合免疫、血管、神经等组分以及芯片、AI等先进技术，构建更生理相关、更高通量、更可预测的体外模型体系，为精准医学和药物研发提供更强大的平台支撑。
复杂程度对比 多细胞类型类器官系统：通过将上皮类器官与不同细胞类型共培养，构建更接近体内生理状态的复杂模型，包括五种增强策略——免疫增强（整合免疫细胞）、血管增强（构建血管网络）、神经增强（加入神经元）、基质增强（引入成纤维细胞/肿瘤相关成纤维细胞CAF）、细胞外基质增强（优化ECM蛋白组成），这些策略可单独或组合应用，以模拟器官微环境中的细胞间相互作用。 高阶技术：四大前沿技术平台——器官芯片与微流控实现精准流体控制和动态培养、生物打印实现空间结构精确组装、多器官芯片连接不同类器官模拟系统相互作用； 支撑类器官研究的三类智能化工具——AI与计算建模用于预测和优化、先进3D/4D成像实现实时动态观察、实验室自动化提高通量和重复性。 这些技术共同服务于四大应用场景：器官与疾病建模、化合物/药物筛选、非临床评估模型和通路（发育）分析。
类器官技术历经十余年发展，已从概念验证走向临床应用，成为精准医学和药物研发的重要支柱。然而，现有模型在细胞有序性、系统整合性和规模化生产方面仍面临诸多挑战。 未来的类器官将走向何方？答案或许藏在多学科交叉的融合之中：生物打印赋予其精确的空间结构，器官芯片实现多器官联动，人工智能加速优化与预测，而血管化、神经化、免疫化的深度整合则将最终打通"微型器官"与真实人体的最后一道鸿沟。 期待在不久的将来，类器官不仅能预测患者对药物的反应，更能成为器官移植的替代来源，甚至实现个性化器官的定制生产。