什么是类器官？

什么是类器官？

2025/03/05

类器官是三维培养细胞，虽然很小，但其结构和功能与人体的器官和组织非常相似。由于类器官与器官相似，因此可以用来研究在实际人体中无法直接研究的事物，因此有望促进医疗保健和药物发现的进步。我们采访了AIST-印度功能资源合作实验室细胞与分子工程研究部高级研究员平野和美（Kazumi Hirano）和细胞与分子工程研究部多细胞系统控制研究组高级研究员小高春树（Haruki Kodaka），了解类器官的特性、生产方法、应用实例和未来发展。

什么是类器官

类器官就像器官一样

类器官是结构和功能与实际器官和组织相似的细胞的集合。当胚胎干细胞（ES细胞）和诱导多能干细胞（iPS细胞）等具有分化能力的细胞在一定条件下培养时，它们会转化为多种类型的细胞。当这些细胞自发地相互作用并聚集在一起时，它们会形成与实际器官和组织相似的结构和功能。这是一个类器官。

　Organoid是一个由英语单词organ（意思是“器官”）和-oid（意思是“相似的东西”）组合而成的单词，并且包含“类似器官的东西”的含义。由于类器官比实际器官小得多，因此有时被称为“微型器官”或“微型器官”。

　iPS细胞的发现是类器官研究最近引起关注并取得进展的一个主要原因。特别是，由遗传性疾病患者产生的 iPS 细胞具有基因突变，因此类器官可以帮助我们了解疾病机制。

类器官制作方法

　创建类器官的方法有多种，但在大多数情况下，关键是对干细胞进行三维培养。在正常细胞培养中，细胞在培养皿上二维生长，但在类器官生产中，细胞在烧瓶中培养，同时轻轻旋转。通过这种方式，可以创建具有三维结构并由多种类型的细胞组成的类器官。

　最初，我们开始培养数千个大小约为 100 µm 的细胞，但最终细胞会分裂并生长，直到在大约 1 至 2 个月内达到毫米大小。比如我们研究的大脑类器官，经过几个月的培养，神经细胞相互连接，发生神经活动，形成神经网络。

　然而，无限地培养类器官是不可能的。类器官不像真实器官那样具有心脏或肺功能，因此如果它们长得太大，氧气和营养物质将无法到达中心，导致细胞从内部死亡。我们的身体布满了输送氧气和营养物质的血管，这是与类器官的主要区别。因此，也有研究将血管延伸到类器官中或将工程管之类的东西插入其中。 (2020/04/14 新闻稿）

类器官的应用示例

你可以研究在人体中无法直接研究的东西

类器官被用作阐明人类各种生物现象的有力工具，因为它们的结构和功能类似于活生物体中的实际器官和组织。

　例如，就大脑而言，直接在人类身上观察它几乎是不可能的。尽管从小鼠身上获得了很多研究成果，但小鼠研究的结果并不总是能直接应用于人类。通过研究由人体细胞制成的大脑类器官，我们可以更好地了解人类大脑是如何形成的，以及大脑和神经系统退化引起的疾病是如何发生的。

　使用类器官的研究包括胚胎学、生理学、人类进化、传染病和遗传疾病模型的阐明，甚至生物计算机的开发。我简单介绍几个例子。

复制尼安德特人的大脑

　尼安德特人大约在 4 万年前灭绝，但人们对他们与现代人类之间的遗传差异很感兴趣，例如大脑功能方面的差异。

海外研究^*1，我们正尝试通过基因组编辑在现代人类 iPS 细胞中复制尼安德特人特有的基因，并从中创建大脑类器官来研究尼安德特人大脑中的神经活动。希望这项研究能够提供有关大脑至今进化的线索。

阐明寨卡病毒引起小头畸形的机制

寨卡病毒是由蚊子传播的传染病之一。众所周知，当孕妇感染寨卡病毒时，她的胎儿患小头畸形的风险就会增加，小头畸形是一种导致婴儿头部较小的先天性疾病。

　用寨卡病毒感染大脑类器官的研究^*2中，我们能够重现大脑类器官的大小减小，并且我们还发现寨卡病毒感染神经干细胞，导致神经元数量减少。这样，类器官的优势就在于它们可以用来研究那些难以用实际大脑进行实验的事物。

计算类器官智力

　大脑可以用少量的能量进行高级的信息处理。因此，以脑类器官为计算资源的“类器官智能”研究^*3

　类器官研究领域也在不断扩大，包括药物发现研究，如筛选候选药物和测试以确认药物安全性，甚至包括类器官直接移植等医学应用。

技术进步的努力

AIST 的脑类器官研究

　我们正在利用大脑类器官进行的研究之一是药物发现支持。最近，出现了抑制早期阿尔茨海默病症状进展的治疗药物，但它们价格昂贵。就症状出现前的预防性治疗而言，希望有更便宜且可以每天服用的成分。我们正在尝试利用大脑类器官来寻找此类物质。

　除了神经细胞之外，大脑还具有多种类型的细胞，称为神经胶质细胞。在这些细胞中，小胶质细胞负责免疫，但它们不是由神经干细胞产生的，而是通过胎儿的血管从大脑外部运输的。换句话说，它们是大脑类器官中不存在的一种细胞。

　我们开发了一种将小胶质细胞引入大脑类器官的技术，并已申请专利。小胶质细胞被认为对大脑发育很重要，也与炎症有关。因此，我们希望利用含有小胶质细胞的大脑类器官能够更准确地了解大脑发育、神经退行性疾病、脑梗塞，甚至慢性炎症引起的衰老。

未来展望

　类器官可以复制多种疾病，例如遗传病和癌症。我们相信，使用类器官作为疾病模型将在未来带来更多的药物发现。

关于大脑，称为“促智药”的物质因其改善记忆和认知功能以及减轻压力的能力而受到关注。大脑类器官还将用于寻找增强健康人大脑功能的物质。

　我们不仅收到了来自制药公司、食品和饮料制造商、材料制造商等的越来越多的询问，询问只能通过三维类器官才能实现的药物发现和补充剂开发。我们相信，当我们想要更详细地分析功能成分对器官和组织的影响时，可以充分利用类器官。

---

*1：Cleber A Trujillo 等人，在皮质类器官中重新引入 NOVA1 的古老变体会改变神经发育。科学 371，eaax2537 (2021)。 DOI：101126/scienceaax2537https://wwwscienceorg/doi/101126/scienceaax2537 [返回来源]
*2：Jason Dang、Shashi Kant Tiwari、Gianluigi Lichinchi、Yue Qi、Veena S Patil、Alexey M Eroshkin、Tariq M Rana，寨卡病毒通过激活先天免疫受体 TLR3 消耗人类大脑类器官中的神经祖细胞，《细胞干细胞》，第 19 卷，第 2 期， 2016 年，第 258-265 页，ISSN 1934-5909，https://doiorg/101016/jstem201604014. [返回参考源]
*3：蔡 H、敖 Z、田 C 等人。用于人工智能的脑类器官库计算。自然电子 6, 1032–1039 (2023)https://doiorg/101038/s41928-023-01069-w. [返回来源]