如果把人体看作一座精密而宏伟的城市，器官便是其中分工各异又紧密协作的“功能区”。随着时间流逝、环境变化或疾病侵袭，这些区域可能出现“堵塞”“坍塌”或功能紊乱。科学家一直希望能够在体外重现这些变化过程，亲眼观察疾病从无到有、从局部蔓延到整体的全过程，以探索阻断甚至逆转疾病的可能路径。然而，长期以来，我们缺乏一种能够真实模拟人类组织结构和功能的模型，许多疾病机制因此仍像深海之下的暗流，难以触及。
近年来，类器官技术的出现为这一困境带来了突破。它让我们得以在培养皿中构建具有真实人类遗传背景的三维微型组织，从而“缩小”人体内部世界，在有限的空间中重现极其复杂的生命活动，使我们能够“以小见大”，从一滴细胞的生长与变化之中洞察疾病全貌。
什么是类器官
类器官（Organoids）是指由一群具有自我更新、自组织能力的干细胞，在体外构建形成的三维微型组织结构。在一定程度上，它们可以模拟人体真实器官的形态与功能。与传统二维细胞培养相比，类器官拥有与对应器官相似的细胞构成、空间结构、遗传特征和生理功能，能够在培养皿中长期生长和传代，并重现疾病进程与药物反应。因此，类器官已成为连接基础研究与临床精准治疗的重要工具。
图1：各种类型的类器官培养[1]
类器官的发展历程
类器官最初的发展从1907年开始，美国贝克罗莱那大学教授威尔逊(H.V.Wilson)发现海绵(sponge)细胞物理分离后可以重新聚集，并自组织成为新的具有正常功能的海绵有机体，这个发现为类器官的构建和发展提供了可能。直到2009年荷兰Hans Clevers团队利用鼠成体干细胞在体外自组织成功构建可长期传代的肠道类器官，这一技术真正迎来了突破。随后，人类肝脏、胃、肺、肾、脑乃至肿瘤类器官陆续问世。过去十余年，类器官研究从“能培养”走向“能复现疾病”，再向“用于临床决策”迈进，正在逐步改变生物医学的研究模式。同时，干细胞技术发展也为类器官研究注入了蓬勃的活力，类器官的发展驶入了快车道。至此，类器官作为新型研究和转化模型逐渐走入大家的视野，并广泛地在各个领域开展应用。
图2：类器官技术的发展史[2]
类器官的应用
类器官的出现正在迅速改变生命科学与临床医学的研究格局。类器官能够在体外保留原始组织的细胞类型、空间结构及遗传特征，成为研究疾病发生与发展的理想模型。科学家利用类器官构建疾病模型，可以模拟疾病相关的病理表型和变化，观察疾病的起始、恶化与恢复过程，如肿瘤组织的遗传变异或神经疾病中的细胞损伤，为研究疾病机制提供可观察、可操控的平台，从而解析难以在人体内直接获取的关键信息。同时，基因编辑技术与类器官相结合，可以用于研究特定基因的致病机制及疾病发展路径，揭示疾病背后的分子机制。在药物研发中，类器官能够用于高通量筛选候选化合物、评估药物毒性及疗效显著性，大幅提高新药开发效率。新药筛选方面，药企利用类器官进行高通量药物测试，从而比使用动物模型更快速、更符合人体反应规律。药理毒理学研究中，类器官可以用于评估候选药物的毒性、代谢过程与药代动力学参数，减少动物实验依赖，提高模型预测的人体适用性。再生医学方面，患者来源的类器官为未来器官修复和移植带来了可能性，如通过基因编辑修复突变后再进行类器官移植，有望为组织损伤和遗传病治疗提供新策略。个性化精准医疗方面类器官应用更具前瞻性，构建患者自身组织的来源类器官，相当于为患者建立了一个独有的“体外分身”，可更有效预测药物对疾病疗效的差异，从而实现真正意义上的个体化精准治疗。
图3：类器官技术的应用 [3]
类器官在肿瘤临床药敏中的价值
肿瘤患者对同一种药物反应往往存在巨大差异，而肿瘤类器官药敏测试为临床提供了可视化的个体用药策略：获取患者肿瘤组织-体外培养肿瘤类器官-测治疗药物组合-选择最有效方案指导患者用药。这种方法能够避免“盲目试药”快速预测疗效，显著提高治疗决策准确性。目前已在多种癌症包括卵巢癌、胰腺癌、结直肠癌、乳腺癌等领域逐步纳入临床研究与辅助诊疗体系。随着多组学技术的快速发展，浙江大学遗传学研究所蒋明课题组建立了肿瘤类器官智能化预测和筛选平台，为癌症患者“量身定制”治疗方案，让癌症治疗更快捷,更安全,更有效。通过从癌症患者的肿瘤组织中获得基因组、转录组、蛋白组、代谢组等多组学分子信息，并对这些数据进行整合分析。基于患者肿瘤的多组学分子信息，深度学习模型可以构建肿瘤分子特征与药物靶点之间的关联，预测潜在有效的治疗药物，形成 “虚拟药物筛选”结果。然而，模型预测并不意味着在患者体内一定有效，类器官技术便成为关键的验证环节。将患者肿瘤组织在体外构建为肿瘤类器官，并对预测出的候选药物进行真实药敏测试，观察其抑制和杀伤肿瘤的效果。通过“多组学-AI预测-类器官验证-个体化治疗方案”这一流程，医生可以在患者正式用药前，就预判不同药物的治疗反应，从而制定更精准、更安全、更具针对性的治疗策略。
图4：肿瘤类器官智能化预测和筛选平台
未来展望
类器官技术正处在从实验室研究向临床实际应用加速过渡的阶段。随着培养体系、基质材料和生长因子配方的不断优化，类器官将具备更高的成熟度与稳定性。同时，血管、免疫细胞和间质成分正逐步被整合进类器官体系，使其能够更真实地复现体内微环境，为研究肿瘤免疫、炎症反应及组织再生提供更加接近人体的模型。未来，类器官不仅将成为新药筛选和个体化用药评估的常规平台，还可能在再生医学中发挥关键作用，例如构建可移植的组织修复片段或替代性器官。此外，随着人工智能与自动化培养系统的加入，类器官有望实现标准化和大规模制备，进入临床流程体系。可以预见，类器官将推动医学从“经验决策”迈向真正的“精准治疗”，让治疗方案因人而异、因病而变，为疾病治疗带来更多想象与可能。
参考文献
[1] Sato T, Vries RG, Snippert HJ, van de Wetering M, Barker N, Stange DE, van Es JH, Abo A, Kujala P, Peters PJ, Clevers H. Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche. Nature. 2009 May 14;459(7244):262-5. doi: 10.1038/nature07935. Epub 2009 Mar 29. PMID: 19329995.
[2] Corrò C, Novellasdemunt L, Li VSW. A brief history of organoids. Am J Physiol Cell Physiol. 2020 Jul 1;319(1):C151-C165. doi: 10.1152/ajpcell.00120.2020. Epub 2020 May 27. PMID: 32459504; PMCID: PMC7468890.
[3] Ma W, Dong Z, Zheng Z, Bai L, Zhang X, Su J. Multiscale Construction, Evaluation, and Application of Organoids. Adv Sci (Weinh). 2025 Nov 10:e08534. doi: 10.1002/advs.202508534. Epub ahead of print. PMID: 41214890.
供稿：蒋明
