類器官屬于三維（3D）細胞培養物，包含其代表器官的一些關鍵特性。此類體外培養系統包括一個自我更新干細胞群，可分化為多個器官器官特異性的細胞類型，與對應的器官擁有類似的空間組織并能夠重現對應器官的部分功能，從而提供一個高度生理相關系統。與傳統2D細胞培養模式相比，3D培養的類器官包含多種細胞類型，突破了細胞間單純的物理接觸聯系，形成了更加緊密的細胞間，細胞與基質間高度相互作用，形成具有功能的“微器官”，能更好地用于模擬器官組織的發生過程及生理病理狀態，因而在基礎研究以及臨床診療方面具有廣闊的應用前景。到目前為止，類器官培養已用于各種組織，包括腸道、肝臟、胰腺、腎臟、前列腺、肺以及大腦等。

隨著類器官培養系統以及其實驗開發技術的不斷發展，類器官應用到了各大研究領域。在這里，我們收集了一些2021年類器官領域的重要研究內容，供科研工作者參考。

2021年12月2日，在《Cell Stem Cell》上，發表了一篇 “Co-emergence of cardiac and gut tissues promotes cardiomyocyte maturation within human iPSC-derived organoids”的研究，科學家們從人類誘導的多能干細胞（2012年的諾貝爾生理學或醫學獎授予了iPSC技術）中培育出心臟類器官，模仿腸道和心臟組織如何從干細胞中協同產生，并且這種類器官可以作為研究發育中的器官和組織間信號傳導的工具。此外，產生的類器官不僅含有心臟細胞，還含有腸細胞。新的類器官帶來了更復雜和成熟的心臟結構，心臟細胞的類型和比例及其電特性與真實胎兒心臟也高度相似。相比之下，不含腸組織的常規類器官中的細胞仍然停留在轉化為心臟細胞的更早階段。而且，這種新的類器官能保持在培養皿中存活超過1年，可作為長期實驗室研究的穩健系統。
11月9日，在《Cell Discovery》上，發表了一篇”Establishment of human distal lung organoids for SARS-CoV-2 infection”的研究。由SARS-CoV-2引起的COVID-19正在成為一場嚴重的大流行，為了解SARS-CoV-2感染的機制，開發有效的藥物，迫切需要合適的模型，可用于真實模擬人體病毒感染。幾種細胞系已被廣泛用于研究病毒感染、復制機制和篩選抗病毒藥物。表達人類ACE2和倉鼠的小鼠模型也被用于模仿SARS-CoV-2感染。然而，細胞系和動物模型都有局限性，不能準確捕捉人體生物學的關鍵特征。作為一種新型的研究模型，人類多能干細胞生的類臟器，如肺、結腸、大腦等，已被用于SARS-CoV-2感染。然而，這些hpsc衍生的類器官代表了胎兒表型，但在成人中不是完全成熟的狀態。本研究從遠端肺實質組織建立人遠端肺類器官(hDLO)，研究SARS-CoV-2的感染動力學，觀察感染的類器官的細胞動力學變化，與COVID-19患者的臨床特征相似。
10月18日，在《Experimental&Molecular Medicine》上，發表了一篇“Gastrointestinal cancer organoids—applications in basic and translational cancer research”的研究，探討了胃腸癌類器官在基礎癌癥生物學和臨床轉化中的不同應用。來自胃腸道腫瘤患者的三維微型器官或“類器官”可以為癌癥生物學提供新的見解，并指導合適的治療方法的選擇。通過適當組合生長因子培養胃腸道腫瘤細胞，研究人員可以產生微型再現原發惡性腫瘤關鍵特征的類器官。這些類器官可用于確定對特定患者最有可能有效的治療策略，或評估原發腫瘤和轉移瘤之間的差異。
9月13日，在《Nature Materials》上，發表了一篇“A microenvironment-inspired synthetic three-dimensional model for pancreatic ductal adenocarcinoma organoids”的研究，表示利用人工合成的新型凝膠可輕松培育出胰腺“類器官”，并精確復制人體胰腺。他們之前嘗試過的其他方法過于復雜，或者無法重現活組織中的微環境。但使用這種新型凝膠，研究人員能夠將胰腺“類器官”與他們在活體小鼠身上研究過的組織進行比較，發現腫瘤”類器官”表達了許多與胰腺腫瘤相同的整合素。此外，通常圍繞腫瘤的其他類型的細胞，包括巨噬細胞（一種免疫細胞）和成纖維細胞（一種支持細胞），也能夠在微環境中生長。
8月23日，在《Nature Neuroscience》雜志上，發表了一篇“Identification of neural oscillations and epileptiform changes in human brain organoids”的研究，加州大學洛杉磯分校再生醫學和干細胞研究中心的研究人員開發了大腦類器官，由人類干細胞培養出來的3D腦結構，顯示出類似于在活體人腦中發現的有組織的活動波。而且這些3D大腦類器官遵循著一個內部時鐘，它在實驗室環境中的發育進展與生物體內部發育過程是平行的。在細胞培育過程中，生長了大約280天就達到成熟，然后它們能夠模仿嬰兒大腦的多個生理特征。
由于類器官不能復制人腦的各個方面，例如，它們缺乏血管，而且它們與早期發育的大腦相似，而不是與成人大腦相似，因此類器官在研究大腦疾病方面的應用會受到限制。但加州大學洛杉磯分校的這項新研究表明，盡管如此，它們仍然可以用來測試各種各樣的大腦功能、疾病和藥物，比如用于臨床前癌癥的治療檢測及藥物藥效和毒性測試——而這些都無法在皮氏培養皿中用腦細胞進行研究。
7月27日，在《Cell Reports》上，發表了一篇“A pan-cancer organoid platform for precision medicine”的研究?；颊邅碓吹哪[瘤類器官(TOs)正在成為研究癌癥生物學和開發新型精準醫學療法的高保真模型。然而，由于缺乏可擴展和可復制的方法來開發和描述這些模型，將TOs用于基于系統生物學的方法受到了限制。研究人員描述了一種穩健的泛癌TO平臺，該平臺采用化學定義的培養基，在從1000多名患者獲得的培養基上進行優化。重要的是，利用這種方法證明了腫瘤遺傳和轉錄組的一致性，并進一步優化了類器官起始和繁殖的最小培養基。此外，他們展示了一種基于神經網絡的高通量方法，用于無標記、基于光顯微鏡的藥物分析，能夠預測藥物反應中患者特異性的異質性，并適用于實體癌。泛癌癥平臺、分子數據和基于神經網絡的藥物分析可以作為資源，加速在精準醫學研究和個性化治療分析規劃中廣泛實施類器官模型。
6月9日，在《Cell Host&Microbe》上，發表了一篇“Organoids and organs-on-chips: Insights into human gut-microbe interactions”的研究。腸道菌群在人類健康和疾病中的重要和多樣化的作用日益被認識到。從宏基因組微生物組測序研究和小鼠-人類物種間差異推斷因果關系的困難，推動了復雜的人類腸道-微生物相互作用體外模型的發展。在此，回顧了微生物與腸道和結腸上皮細胞共培養的最新進展，并將快速發展的類器官和器官芯片領域與其他標準模型進行了比較。研究描述了如何通過微生物和上皮細胞相互作用的特定的個體過程可以在體外重現。使用細菌、病毒和寄生蟲感染的例子，強調了每種培養模型的優勢，并討論了當前趨勢和未來構建更復雜共培養的可能性。
5月11日，在《Stem Cell Reports》上，發表了一篇“SARS-CoV-2 targets glial cells in human cortical organoids”的研究，表述了使用人類胚胎干細胞衍生的皮質類器官來研究SARS-CoV-2是否可以在體外感染腦組織并發現皮質類器官可以在低病毒滴度和6小時內被感染。研究表明神經膠質細胞和脈絡叢細胞在模型中被優先靶向，但不是神經元。研究還在SARS-CoV-2感染的細胞中發現了血管緊張素轉換酶2的表達；但是，不會發生涉及DNA片段化的病毒復制和細胞死亡。研究人員相信該模型是研究SARS-CoV-2感染在腦組織中的細胞效應的一個易于處理的平臺。
4月12日，在《npj precision oncology》上，發表了一篇“Patient-derived organoids as a predictive biomarker for treatment response in cancer patients”的研究，揭示了用患者來源的類器官作為癌癥患者治療反應的預測生物標志物。癌癥治療的一個關鍵限制是缺乏有效的預測性生物標志物，需要有效的預測性生物標志物來實現個性化醫療，提高癌癥患者的治療效果和生存率，降低毒副作用和治療成本。一種有希望的預測性生物標志物是使用患者源性類器官（PDO）進行個體化腫瘤反應測試，其中抗癌劑在PDO上進行離體篩選以預測臨床反應。PDOs已被開發用于多種腫瘤，是由上皮細胞組成的干細胞來源的三維自組織結構，模仿其相應的腫瘤。PDOs通過其固有的異質性、長期穩定性、高通量篩選的適用性和捕獲腫瘤特征的增強能力，與以前的模型相比，代表了一個優越的臨床前模型系統。
3月15日，在《Cell Death Discovery》上，發表了一篇 “Human pluripotent stem cell-derived alveolar organoids for modeling pulmonary fibrosis and drug testing”的研究，肺纖維化(PF)發病機制的有效治療方法的發展由于缺乏能概括疾病病理生理學的體外人體模型而受到阻礙。在這項研究中，研究人員生成了來自人類多能干細胞(hPSCs)的肺泡類器官(AOs)，用于作為PF模型和藥物療效評估，并表明修飾的MGF-E8蛋白具有治療PF的治療潛力。
2月8日，在《Nature Biotechnology》上，發表了一篇“Human heart-forming organoids recapitulate early heart and foregut development”的研究，早期組織發育的類器官模型已經被用于腸、腦、腎和其他器官，但類似的方法還沒有用于心臟。在這項研究中，研究人員生成了復雜的、高度結構化的三維心臟形成類器官(HFOs)，在相應的發育階段與體內對應物表現出高度相似性。研究人員將HFOs應用于體外基因缺陷的研究，通過證明NKX2.5敲除的HFOs表現出與之前在轉基因小鼠中觀察到的心臟畸形類似的表型。
1月8日，在《Cell Research》上，發表了一篇“Establishment of intestinal organoid cultures modeling injury-associated epithelial regeneration”的研究，北京大學鄧宏魁、徐君、李程為共同通訊作者。研究人員建立了一個培養條件，在體外產生和培養具有損傷再生特征的新型小腸類器官。與傳統的腸類器官相比，這些新的類器官顯示出深刻復雜的隱窩-絨毛結構和顯著豐富的損傷相關的再生特征，如胎兒樣標志物，稱為增生性腸類器官。重要的是，增生性腸類器官顯著富集了損傷反應性干細胞群，類似于那些在體內損傷時出現的干細胞群。在此條件下，研究人員發現，小分子表觀遺傳調節劑VPA和EPZ6438的組合對調節腸道類器官的增生特征至關重要，并在體內損傷時促進腸道上皮的再生。
還有很多類器官領域的學術文章刊登在各大權威期刊。2021年，類器官被列入“十四五”國家重點研發計劃重點專項。隨著生命科學的發展，人類想要更好地攻克各種疾病，已經不能僅僅滿足于動物模型，復制和重建人類器官成為科學家們嘗試發展的方向之一。然后，類器官誕生了。類器官作為一種基于3D體外細胞培養系統，建立的與體內的來源組織或器官高度相似的一種模型，可成為患者在體外的“試藥替身”、為每個患者制定有效的治療策略、用于免疫治療的臨床前評價等。目前，類器官在再生醫學、基因編輯、精準醫療、器官發育、疾病建模等方面表現出了良好的應用潛力。《Nature Methods》如此評價類器官技術：利用干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。類器官正在成為研究疾病的“好幫手”，希望它能不斷迎來突破，更好地為研究人員與患者助力！