类器官技术：赋能新冠病毒研究

经过十余年的发展，多种器官的类器官得以在体外构建成功，类器官也为很多疾病提供了优良的体外模型。恰逢 COVID-19 流行，类器官也被用于研究 SARS-CoV-2 的致病机理研究及药物筛选。对此，Yuling Han 等人对人类类器官模型在 SARS-CoV-2 感染领域的应用进行了综述。

2009 年，荷兰 Hubrecht 研究所的 Hans Clevers 团队S次在体外将肠道干细胞培养成具有类肠的隐窝状和绒毛状上皮区域的三维结构，即小肠类器官，由此开启了类器官的研究^[1]。自那以后，类器官研究步入了高速发展期，经过十余年的发展，已有多种类器官在体外构建成功，包括：肠、胃、视网膜、脑、肝、肾、肺、胰腺、心脏、呼吸道、血管以及胎盘类器官等（图1）。作为一种前沿的科研方法，类器官技术已被应用于疾病模型构建、药物发现、个性化药物筛选、药敏检测、发育生物学、病理学、细胞生物学、再生医学及精准医学等领域。相较于 2D 培养的细胞，类器官能更好的模拟体内生理特征，更适合用于研究细胞间通讯及形态发生。另外，相较于动物模型，类器官更适合用于高通量筛选，并且具有更高的可操作性。

类器官的构成来源主要包括两种：一种是人类多能干细胞（human pluripotent stem cells, hPSCs），包括胚胎干细胞（embryonic stem cells, ESCs）、诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）等；另一种是成体组织。两者在可获得性、可编辑性、成熟度和多样性方面各有利弊。理论上，hPSCs 具有无限的增殖能力和在所有三个胚层中产生类器官的发育潜力，并且 hPSCs 能轻松地扩大培养，用于大规模研究，比如药物筛选及代谢分析。相比之下，成体类器官自我更新能力有限，这就限制了它在大规模研究中的应用。另外，hPSCs 来源的类器官在基因编辑方面更易达成，便于研究单个变异在病毒感染中的生物学功能。成体类器官的优势在于其良好的成熟度，这是 hPSCs 来源的类器官所不具备的，大多数 hPSCs 衍生的类器官仍然具有胎儿或新生儿的特征，仍需要做更多的工作来进一步改善其成熟状态。

图1 不同来源的类器官发展时间线^[2]

2019 年底暴发的新冠疫情迅速席卷了全球，严重威胁了全球人类的生命安全。SARS-CoV-2 不仅引起严重的呼吸道疾病，还会损坏大脑、心脏、肝、肾、肠道及胰腺等器官，引起诸如精神、认知及身体障碍、静脉血栓、心肌炎、心力衰竭、急性肾损伤、肝损伤及急性脑血管疾病等并发症（图2）。因此，科研人员迫切需要合适的体内及体外模型来研究 SARS-CoV-2 感染、病理生理学及药物和疫苗的筛选。由于类器官具备上文所提及的各种优势，并且多种器官的类器官被成功构建，所以类器官被广泛的应用于 SARS-CoV-2 的研究。

图2 COVID-19 患者不同器官并发症^[2]

图3 血管-免疫-肺泡类器官的开发

器官芯片技术是利用微液流装置创建的动态和可控的微环境来培养类器官，适合研究病毒-宿主互作，病毒治疗的耐药性的演变，新型抗病毒疗法的开发以及潜在的病毒发病机制。

现阶段类器官确实为 COVID-19 疾病模型的构建以及药物筛选做出了贡献，但是由于其缺乏免疫细胞、血管系统及器官间互作，还不能完全替代动物模型。未来，随着类器官复杂化及器官芯片等技术的应用，类器官必将为新发病毒感染的研究做出更多的贡献。

[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.