經(jīng)過十余年的發(fā)展，多種器官的類器官得以在體外構(gòu)建成功，類器官也為很多疾病提供了優(yōu)良的體外模型。恰逢 COVID-19 流行，類器官也被用于研究 SARS-CoV-2 的致病機理研究及藥物篩選。對此，Yuling Han 等人對人類類器官模型在 SARS-CoV-2 感染領(lǐng)域的應(yīng)用進行了綜述。 2009 年，荷蘭 Hubrecht 研究所的 Hans Clevers 團隊首次在體外將腸道干細胞培養(yǎng)成具有類腸的隱窩狀和絨毛狀上皮區(qū)域的三維結(jié)構(gòu)，即小腸類器官，由此開啟了類器官的研究[1]。自那以后，類器官研究步入了高速發(fā)展期，經(jīng)過十余年的發(fā)展，已有多種類器官在體外構(gòu)建成功，包括：腸、胃、視網(wǎng)膜、腦、肝、腎、肺、胰腺、心臟、呼吸道、血管以及胎盤類器官等（圖1）。作為一種前沿的科研方法，類器官技術(shù)已被應(yīng)用于疾病模型構(gòu)建、藥物發(fā)現(xiàn)、個性化藥物篩選、藥敏檢測、發(fā)育生物學(xué)、病理學(xué)、細胞生物學(xué)、再生醫(yī)學(xué)及精準醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。相較于 2D 培養(yǎng)的細胞，類器官能更好的模擬體內(nèi)生理特征，更適合用于研究細胞間通訊及形態(tài)發(fā)生。另外，相較于動物模型，類器官更適合用于高通量篩選，并且具有更高的可操作性。 類器官的構(gòu)成來源主要包括兩種：一種是人類多能干細胞（human pluripotent stem cells, hPSCs），包括胚胎干細胞（embryonic stem cells, ESCs）、誘導(dǎo)多能干細胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）等；另一種是成體組織。兩者在可獲得性、可編輯性、成熟度和多樣性方面各有利弊。理論上，hPSCs 具有無限的增殖能力和在所有三個胚層中產(chǎn)生類器官的發(fā)育潛力，并且 hPSCs 能輕松地擴大培養(yǎng)，用于大規(guī)模研究，比如藥物篩選及代謝分析。相比之下，成體類器官自我更新能力有限，這就限制了它在大規(guī)模研究中的應(yīng)用。另外，hPSCs 來源的類器官在基因編輯方面更易達成，便于研究單個變異在病毒感染中的生物學(xué)功能。成體類器官的優(yōu)勢在于其良好的成熟度，這是 hPSCs 來源的類器官所不具備的，大多數(shù) hPSCs 衍生的類器官仍然具有胎兒或新生兒的特征，仍需要做更多的工作來進一步改善其成熟狀態(tài)。
2019 年底暴發(fā)的新冠疫情迅速席卷了全球，嚴重威脅了全球人類的生命安全。SARS-CoV-2 不僅引起嚴重的呼吸道疾病，還會損壞大腦、心臟、肝、腎、腸道及胰腺等器官，引起諸如精神、認知及身體障礙、靜脈血栓、心肌炎、心力衰竭、急性腎損傷、肝損傷及急性腦血管疾病等并發(fā)癥（圖2）。因此，科研人員迫切需要合適的體內(nèi)及體外模型來研究 SARS-CoV-2 感染、病理生理學(xué)及藥物和疫苗的篩選。由于類器官具備上文所提及的各種優(yōu)勢，并且多種器官的類器官被成功構(gòu)建，所以類器官被廣泛的應(yīng)用于 SARS-CoV-2 的研究。
呼吸系統(tǒng)類器官 SARS-CoV-2 主要靶向呼吸系統(tǒng)的上皮細胞，引起患者的嚴重咳嗽、過度粘液分泌及呼吸短促等。為了研究病毒感染后機體的病理改變，篩選潛在的治療策略，科研人員構(gòu)建了肺泡、呼吸道及支氣管類器官。Shuibing Chen 團隊利用 hPSCs 來源的肺泡類器官，從 FDA 批準的藥物中篩選到了 3 種 SARS-CoV-2 進入抑制劑：伊馬替尼（imatinib），麥考酚酸（mycophenolic acid）以及鹽酸米帕林（quinacrine dihydrochloride）[3]。另外，肺泡類器官感染實驗表明 SARS-CoV-2 受體 ACE2 主要表達在二型肺泡上皮細胞（Type 2 alveolar epithelial cell，AT2 cell）上，并且，AT2 細胞被感染后表現(xiàn)出與 COVID-19 患者肺部相同的特征，包括 Type I/III 干擾素反應(yīng)，干擾素介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，表面活性蛋白的缺失以及凋亡。成體呼吸道類器官（adult airway organoids, adult AWOs）還可以被用來研究 SARS-CoV-2 突變體的復(fù)制動力學(xué)特征。通過比較 SARS-CoV-2 感染的支氣管類器官（bronchial organoids, BCOs）與其他細胞類型的高通量表達矩陣數(shù)據(jù)，集落刺激因子 3 (CSF3) 被確定為潛在的藥物靶點。綜上所述，呼吸系統(tǒng)類器官復(fù)現(xiàn)了體內(nèi) SARS-CoV-2 感染的特征，可用于 SARS-CoV-2 病理學(xué)研究及藥物篩選等。 腸道類器官 COVID-19 患者常常表現(xiàn)出腹瀉、嘔吐及腹痛等胃腸道癥狀。腸道類器官則被用于 SARS-CoV-2 相關(guān)的腸道病理生理學(xué)研究，其中包括 hPSCs 來源及成體小腸類器官（small intestinal organoids, SIOs）、結(jié)腸類器官（colonic organoids, COs）及回腸類器官（ileal organoids, ILOs）。hPSCs 來源的 SIOs 和 COs 均能被 SARS-CoV-2 感染，并且表現(xiàn)出超微結(jié)構(gòu)的改變以及強烈的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)。事實上，hPSCs 來源的 COs 已經(jīng)被用于驗證 SARS-CoV-2 進入抑制劑的抗病毒效果，并且與肺類器官有相似的表現(xiàn)[3]。這也說明腸類器官可以作為 SARS-CoV-2 感染的疾病模型用于藥物篩選。腸道類器官也能很好的復(fù)現(xiàn)腸道新冠病毒感染：SARS-CoV-2 和 SARS-CoV 在 SIOs 上表現(xiàn)出截然不同的病毒-宿主互作動力學(xué)特征，SARS-CoV 傳播迅速但引起的細胞反應(yīng)更小，而 SARS-CoV-2 雖然復(fù)制能力低但能引起更強烈的細胞反應(yīng)。 腦類器官 COVID-19 患者會罹患一系列神經(jīng)癥狀，嚴重程度從嗅覺、味覺喪失，記憶喪失到威脅生命的中風(fēng)。hPSCs 來源的腦類器官包括全腦類器官和腦區(qū)類器官，免疫染色發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)、海馬、下丘腦及中腦均能檢測到 SARS-CoV-2 感染，而神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞檢測到的則很有限。盡管如此，星形膠質(zhì)細胞卻能促進腦類器官中 SARS-CoV-2 的感染。除此以外，hPSCs 來源的脈絡(luò)叢類器官（choroid plexus organoids, CPOs）也被用來研究 COVID-19 患者的腦損傷。SARS-CoV-2 在 CPOs 中能引發(fā)炎癥反應(yīng)及細胞功能缺陷并伴隨著細胞死亡，并且 SARS-CoV-2 能破壞上皮細胞之間的緊密連接，在 CPOs 中引起腦脊液滲漏。綜上所述，腦類器官是研究 SARS-CoV-2 感染引起腦損傷的良好體外模型。 除了以上提及的幾種類器官，腎、肝、扁桃體等類器官也被用于 SARS-CoV-2 研究，在綜述里都有詳細的描述[2]。 前景 盡管類器官用作 SARS-CoV-2 疾病模型取得了重要進展，但是還有許多方面需要進一步優(yōu)化，其中包括給類器官增加免疫細胞及血管系統(tǒng)，利用 3D 生物打印及器官芯片技術(shù)進一步模擬人體系統(tǒng)的生理及病理狀態(tài)，利用單細胞技術(shù)深入研究病毒-宿主互作，利用基因組測序及基因編輯技術(shù)研究病毒感染時基因型和表現(xiàn)之間的相關(guān)性。 現(xiàn)有的類器官大部分只含有組織或器官的細胞組分，不含有免疫細胞，而免疫細胞在 COVID-19 的病理生理學(xué)及疾病進展方面發(fā)揮的作用可能比病毒感染本身更加重要。因此，利用體外類器官和免疫細胞共培養(yǎng)體系能更好的了解被感染宿主細胞和免疫細胞之間的互作，及免疫細胞在組織或器官損傷中的作用。類器官的另一個缺陷是缺乏血管系統(tǒng)。將類器官和血管上皮細胞、周細胞共培養(yǎng)形成一個具備合適空間結(jié)構(gòu)的含血管類器官為進一步開發(fā)類器官模型提供了希望。具備免疫細胞及血管的類器官將進一步推動新發(fā)病毒性傳染病的研究（圖3）。
器官芯片技術(shù)是利用微液流裝置創(chuàng)建的動態(tài)和可控的微環(huán)境來培養(yǎng)類器官，適合研究病毒-宿主互作，病毒治療的耐藥性的演變，新型抗病毒療法的開發(fā)以及潛在的病毒發(fā)病機制。 總結(jié) 現(xiàn)階段類器官確實為 COVID-19 疾病模型的構(gòu)建以及藥物篩選做出了貢獻，但是由于其缺乏免疫細胞、血管系統(tǒng)及器官間互作，還不能完全替代動物模型。未來，隨著類器官復(fù)雜化及器官芯片等技術(shù)的應(yīng)用，類器官必將為新發(fā)病毒感染的研究做出更多的貢獻。 在藥物研發(fā)和政策監(jiān)管的雙重要求下，類器官的出現(xiàn)為更高效、更精準的生命科學(xué)研究帶來希望。從 2009 年腸道類器官的出現(xiàn)到現(xiàn)在，類器官相關(guān)文獻數(shù)量逐年遞增。臨床上利用病人腫瘤組織來源的類器官進行體外藥敏檢測，也發(fā)現(xiàn)類器官對現(xiàn)有抗腫瘤藥物具有 100% 敏感性以及 88% 的陽性預(yù)測值。類器官的高度仿生性使其大大推廣了技術(shù)研究，以及在轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)和藥物篩選等領(lǐng)域的廣泛使用。但目前，類器官應(yīng)用的的培養(yǎng)和應(yīng)用面臨如何實現(xiàn)標準化和重復(fù)性，以及利用自動化來提高培養(yǎng)效率的瓶頸。 在工業(yè) 4.0 時代，我們希望將智能化、標準化引入到類器官的行業(yè)，以降低類器官培養(yǎng)的門檻。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)， 由于化療藥物的副作用比靶向治療大許多，很多患者擔(dān)心承受了化療的副作用，但最后卻沒有獲得好的治療效果，因而對化療有種恐懼感。如果能找到一種新的藥敏檢測方式，可以比較準確的預(yù)測化療藥物有效性，會極大減輕患者進行化療的心理負擔(dān)。腫瘤類器官藥敏試驗是正在探索的一種有效且易于普及的藥敏檢測方式。而如何快速準確的完成類器官藥敏檢測則是實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵。 如下圖的藥敏檢測的流程中，為了達到精準檢測的目的，藥物的準確添加和類器官的準確分裝很重要。下圖流程中，由Biomek自動化移液工作站進行類器官的分裝，因子添加，配合檢測器進行在線檢測，利用Echo進行40nL的小體積加藥，來達到在線自動化的類器官培養(yǎng)和檢測。
參考文獻 [1] T. Sato, R.G. Vries, H.J. Snippert, M. van de Wetering, N. Barker, D.E. Stange, J.H. van Es, A. Abo, P. Kujala, P.J. Peters, and H. Clevers, Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche. Nature 459 (2009) 262-5. [2] Y. Han, L. Yang, L.A. Lacko, and S. Chen, Human organoid models to study SARS-CoV-2 infection. Nat Methods 19 (2022) 418-428. [3] Y. Han, X. Duan, L. Yang, B.E. Nilsson-Payant, P. Wang, F. Duan, X. Tang, T.M. Yaron, T. Zhang, S. Uhl, Y. Bram, C. Richardson, J. Zhu, Z. Zhao, D. Redmond, S. Houghton, D.T. Nguyen, D. Xu, X. Wang, J. Jessurun, A. Borczuk, Y. Huang, J.L. Johnson, Y. Liu, J. Xiang, H. Wang, L.C. Cantley, B.R. tenOever, D.D. Ho, F.C. Pan, T. Evans, H.J. Chen, R.E. Schwartz, and S. Chen, Identification of SARS-CoV-2 inhibitors using lung and colonic organoids. Nature 589 (2021) 270-275.
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