【导读】
类器官技术始于2009年，于2013年被Science评选为2013年的十大突破。2019年，Science、Nature、Cell全球三大顶级刊物不约而同地推出了关于类器官技术的特刊。NEJM（新英格兰医学杂志）发表Organoids-Preclinical Models of Human Disease，指出类器官技术是人类疾病研究的临床前模型，是临床治疗的新手段。
近日，威尔康奈尔医学院Shuibing Chen教授团队在Nature Methods上发表综述文章，概述了用于SARS-CoV-2（一种新型冠状病毒）研究的各种类器官模型在免疫机制研究、药物发现和疫苗开发中的应用，进一步总结了基于类器官的COVID-19研究中使用的新技术，以及深入讨论了后续的挑战。
【类器官的概念】
类器官就是由干细胞或器官特异性祖细胞在体外发育成具有复杂三维结构、展现类似体内器官结构和功能的细胞团。目前构建类器官的细胞主要来自多能干细胞或成体组织。
目前，几乎所有的组织都可以在体外构建3D培养的类器官，包括人多能干细胞来源的肠道、视网膜、脑、肝、肾、胃、肺、胰腺、结肠、心脏、和血管类器官和人成体组织来源的胃、肝、胰腺、胎盘和肺类器官（图1）。
图1：不同类器官类型的建立时间轴
分析类器官的形成可以加深对人类发育和组织/器官再生机制的理解。此外，类器官为疾病建模和药物筛选提供了强大的平台，在本次席卷全球的COVID-19疫情中，类器官发挥了巨大的临床前研究和临床应用价值。
【类器官助力SARS-COV-2研究】
COVID-19是由SARS-CoV-2引起的传染病，可导致急性呼吸窘迫综合征（ARDS）、过度炎症反应和多器官损伤（图2）。相较于2D细胞培养模型，3D类器官与人体组织/器官的生理和病理特征具有更高相似性，可以作为研究SARS-CoV-2感染模型，模拟受损器官病理生理学并进行药物发现的高级模型。
图2：COVID-19患者不同器官系统的并发症
目前研究人员已经用多能干细胞（hPSC）成功分化出三个胚层来源的类器官（图3）：呼吸道类器官、肠道类器官、肾脏类器官、肝脏类器官、扁桃体类器官、脑类器官、眼类器官和心脏类器官等。这些类器官为揭示COVID-19感染后全身各系统并发症、研究宿主病理生理反应、探究免疫响应机制和开发药物提供了重要的生理模型。
图3：hPSCs定向分化为三胚层类器官
【类器官的未来展望】
在过去的两年中，类器官在COVID-19研究方面大显身手，取得了重要进展。然而，类器官模型，目前仍存在一定的局限性，需要进一步优化。（图4）
图4：类器官模型在传染病研究中的应用前景
一方面，类器官的生物制造工艺有进一步发展的空间。
从细胞组成来看，目前的类器官仅含有对应器官的主要组成细胞，缺少免疫细胞和血管化，向类器官系统中引入免疫细胞和血管化，构建免疫-血管-类器官将促进对受感染的宿主细胞和免疫细胞之间的相互作用的理解。（图5）
图5：血管-免疫-肺泡类器官的发育
从结构组装来看，目前类器官细胞的空间位置调控仍不够精准，结合更先进的生物制造手段，如生物3D打印和器官芯片技术将有效提高类器官的结构仿生性。
3D生物打印技术利用负载生物墨水的组织特异性细胞类型，通过分层打印技术重建类似人体器官的结构。三维生物打印生成的器官模拟系统技术在人类病毒感染研究中具有广阔的应用前景。例如，3D生物打印的肺样结构可以用于研究SARS-CoV-2感染提供了一种由多层和细胞类型组成的复杂中空结构的气细胞界面，这是传统组织工程方法无法实现的。
器官芯片是一种微流控设备，用于在连续灌注的小室中培养细胞和组织。器官芯片系统允许创建动态和可控的微环境，适合研究病毒与宿主的相互作用、对病毒治疗的耐药性的进化、新的抗病毒治疗方法的开发和潜在的病毒发病机制。在芯片上培养的类器官为从器官水平概括生理功能提供了新的可能性。
另一方面，使用更先进的基因检测技术将进一步增强对发病机制的研究。如单细胞多组学分析研究有望以单细胞分辨率深入了解SARS-CoV-2感染时宿主细胞反应和宿主细胞相互作用。将全基因组测序和不同供体的类器官筛选相结合，进行基因型表型研究，以确定与病毒感染相关的新基因/位点/变异。不同供体类器官也可用于调查个体对抗病毒药物的反应，有助于开发个性化治疗。
【结束语】
类器官研究，为COVID-19疾病建模和药物筛选做出了重大贡献。类器官仍然存在一些局限性，细胞组成和结构组装比较单一，缺乏功能性的血管系统、神经系统或免疫系统，这些缺点使类器官远远比不上体内模型。在现阶段，疫苗和药物开发仍然需要动物模型。
未来，结合生物3D打印和器官芯片的更先进的生物制造手段，类器官将用于模拟更复杂的器官，模拟器官内相互作用，并探索致病机制。来自健康或COVID-19患者的类器官，可提供不同年龄、性别或种族群体个体的病毒易感性的可靠分子评估，并为当前和未来的大流行提供个性化的治疗策略。
【原文信息】
Yuling Han, Liuliu Yang, Lauretta A. Lacko, Shuibing Chen. Human organoid models to study SARS-CoV-2 infection. Nature Methods. 2022, 19, 418–428.