类器官及其应用(科学专著.前沿研究)

在现代生命科学和医学研究中，对于生命现象和相关机制的探索很大程度上取决于是否有合适的模型体系。许多重要发现都是如此，比如染色体遗传学的建立依赖于摩尔根的果蝇模型，细胞凋亡的发现依赖于布雷内的线虫模型，更不用说生命科学中常用的小鼠模型对生命科学和医学研究的巨大推动作用。除了这些动物模型，理解人类相关的生命和医学问题还常常用到一系列体外模型，特别是人类细胞系模型。这些体外培养的人类细胞系不仅是细胞生物学和遗传学研究的有力工具，而且也提供了人类疾病模型和药物研发体系。
在过去十几年中，一种全新的体外模型——类器官(organoid)出现在生命科学领域。关于类器官，本书采用2021年国际同行们给出的定义：类器官是干细胞、前体细胞和/或分化细胞通过细胞-细胞间以及细胞-基质间的互作而自发组织形成的体外三维结构，能在多个方面再现体内相应组织或器官的结构与功能。类器官可以从两个层面来理解，一个是生物学层面的，这样的类器官完全依靠细胞自组装实现结构和功能；另一个是功能性层面的，这样的类器官的构建不只是依赖细胞自组装，还需要引入其他组织工程材料等辅助构建。自从2009年第一个严格意义上的类器官(小肠类器官)成功构建以来，类器官的研究和应用迅速扩展到了几乎所有组织类型，从消化道组织到神经组织、再到生殖系统相关组织，甚至体外的胚胎构建以及模拟组织间互作的生物芯片的构建等。相比于以往的动物模型和细胞系，类器官具有众多独特的优势，在生命医学领域展现了广阔的应用前景。
相比于动物模型，从人类组织样品或者人源多能干细胞分化而来的类器官具有以下几方面的特点。首先，可以更忠实地反映人类组织的结构和功能特点，比如特定的胚层发育过程、代谢能力、复杂的神经组织类型等。其次，在对人类疾病发生病理过程的模拟领域也展现出特有的优势，比如病毒的感染和复制过程、人类遗传病的发病过程等。再次，类器官相比于动物模型，在遗传学上更为稳定，在制备上更容易规模化，因此提供了动物模型所不具备的人类疾病研究模型和药物筛选体系。最后，从动物福利角度考虑，类器官体的广泛应用也会减少生物医学研究对小鼠等动物模型的依赖。
相比于二维培养的细胞模型，类器官能够体现组织的结构复杂性以及多细胞互作复杂性。首先，由于细胞的自组织特性，类器官可以模拟组织的基本形态结构，比如肠道干细胞龛、大脑皮层的多层细胞结构等，这些空间组织结构在二维培养中是完全不可能形成的，但正是这些结构形成了组织功能的基础。其次，类器官在三维空间的构建产生了更丰富的可变性，比如可以通过自组装，也可以融合，还可以结合生物芯片或者3D打印形成复杂多样的结构。最后，类器官内存在多种细胞类型，这些细胞类型的存在不是静态的，而是时间上互相演变、空间上互相作用，从而提供了二维细胞培养完全不具备的组织复杂度。
因此，毫不奇怪，在短短的十多年里，类器官成为一个全新的研究热点。加上类器官模型的巨大应用潜力，有大量的研究者满怀热情地涌入这个领域，希望在其中一展身手。因为新，所以大量的数据和进展主要以论文的形式存在。对刚刚进入这个领域的研究者而言，如果想要较为全面地了解这个领域，甚至是一个细分方向，都需要大量的阅读才能实现。显然，一本系统介绍、深入浅出的参考书将会帮助大家快速了解这个领域。可以想象，这样的一本参考书将会受到相当多研究人员的欢迎。
2022年5月，还在上海疫情封控期间，上海科学技术出版社王娜编辑联系我们，希望能够就类器官这个领域的进展和应用组织一本学术专著。我们被这个想法打动，也很高兴能为推动领域发展做些贡献。因此，在解封后的夏天，我们开始邀请各个方向的专家参与本书的撰写。让我们感动的是，几乎所有的受邀专家都爽快地答应了写作任务。要知道，这些专家平时事务繁忙，只有在他们看来真正重要的事才能打动他们，让他们投入宝贵的时间和精力。2023年5月，所有章节初步完成，这些章节的内容，甚至在对领域有相当了解的专家看来，也是有很多可以学习的地方，并处处闪烁着思想的火花。
整本书的结构是所有撰稿专家一起讨论商定的。第一章是总论，由我们主笔，并请部分撰稿专家审稿。之后是各个组织器官的类器官进展和应用介绍，每一章都包含了该组织器官的基本介绍、相应类器官的构建和鉴定以及应用。再之后将类胚胎构建和肿瘤类器官的构建单独设立两章，单独设立的原因是类胚胎的构建是对生命形成的研究，而肿瘤研究则是类器官模型目前最有代表性的应用场景。在这两章之后，纳入了对新技术的讨论，主要是从生物芯片技术对于构建复杂类器官以及多器官互作的重要性角度考虑。最后是总结和展望，由多位撰稿专家审稿。展望未来，我们期待在类器官应用的标准化，空间结构形成的机制，类器官的血管化、免疫化和神经化，以及多组织类器官互作这些方向有更多更大的突破。
在本书的编撰过程中，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心(原生化细胞所)的章正涛博士和陈笑涛女士承担了大量的联络工作，上海科学技术出版社王娜编辑花费了大量心血加工书稿，也借此机会表示衷心感谢。我们希望本书能够作为一本有价值的工具书，给领域内不同方向、不同层次的研究者以实实在在的帮助。当然，由于我们的局限，书中的任何不足或者错误之处，还请读者不吝指正。
陈晔光  南昌大学、清华大学惠利健  中国科学院分子细胞科学创新卓越中心2023年7月

近10年来，一种全新的三维体外研究模型——类器官迅速发展起来，成为细胞生物学和临床医学发展最快的前沿技术之一，已在肿瘤、发育和再生医学等多个基础研究领域中展现出独特的优势，并成为赋能新药研发最具潜力的研究工具之一。书全面梳理了类器官的研究进展，涵盖了包括消化道组织、神经组织等多种类器官；系统介绍了各种类器官的基本结构与细胞组成、类器官的构建与鉴定以及类器官的应用。此外，还专门介绍了类胚胎与肿瘤类器官的研究进展，以及类器官与其他新兴生物技术（如生物芯片）的结合。展望未来，本书提出类器官的标准化，构建机制的鉴定，血管化、免疫化和神经化类器官构建等将是未来的重要技术突破方向。本书为读者构建了一个类器官研究与应用的知识体系，从而帮助读者快速了解类器官研究领域的现状和发展趋势。

陈晔光：博士，清华大学/南昌大学教授、博士生导师，中国科学院院士、发展中国家科学院院士。主要通过类器官技术和动物模型等研究成体干细胞自我更新和分化的机制，同时探索信号调控细胞命运的分子机制及癌症等疾病发生发展的机理。先后主持科技部973项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金委创新研究群体和重点项目等多项国家科技项目，主编的研究生教材入选“十一五、十二五国家级规划教材”和首届全国优秀教材建设奖。兼任Cell Regeneration杂志主编、亚太细胞生物学组织理事长、国际细胞生物学联盟副理事长等。               

惠利健：博士，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生化细胞所）研究员、杰青、“万人计划”科技创新领军人才。现任细胞生物学国家重点实验室副主任；兼任中国细胞生物学会常务理事、细胞治疗研究与应用分会会长。在细胞属性转换和肝脏再生领域做出了一系列原创发现，率先发现了细胞转分化现象，解析了肝细胞去分化机制，建立了肝细胞制备方法并应用于肝衰竭治疗。目前，基于其发现的生物人工肝技术已经进入临床试验。研究成果获“中国十大科学进展”、上海市自然科学一等奖、中国青年科技奖等。        

第１章 类器官研究总论 １ 
１．１ 类器官的定义 １ 
１．２ 类器官的发展历史 １ 
１．３ 类器官结构的形成机制 ５ 
１．４ 类器官的结构与功能鉴定 ６ 
１．５ 类器官的应用 ７ 
１．６ 挑战与展望 １２ 
参考文献 １５ 
第２章 消化道类器官 ２２ 
２．１ 消化道的结构与功能 ２２ 
２．２ 消化道类器官的构建 ２４ 
２．３ 消化道类器官的鉴定 ２９ 
２．４ 消化道类器官的应用与展望 ３２ 
参考文献 ４２ 
第３章 肺脏类器官 ５１ 
３．１ 肺的结构与功能 ５１ 
３．２ 肺类器官的构建 ５３ 
３．３ 肺类器官的鉴定 ５８ 
３．４ 肺类器官的应用与展望 ６０ 
参考文献 ７５ 
第４章 肝脏类器官 ８３ 
４．１ 肝脏的结构与功能 ８３ 
４．２ 肝脏类器官的构建 ８５ 
４．３ 肝脏类器官的鉴定 ９５ 
４．４ 肝脏类器官的应用与展望 ９８ 
参考文献 １０４ 
第５章 胰腺类器官 １１０ 
５．１ 胰腺的胚胎发育 １１１

５．２ 胰腺类器官的构建 １１３ 
５．３ 胰腺类器官的鉴定 １１９ 
５．４ 胰腺类器官的应用与展望 １２０ 
参考文献 １２５ 
第６章 泌尿生殖系统类器官 １３０ 
６．１ 膀胱类器官 １３０ 
６．２ 肾脏类器官 １４０ 
６．３ 前列腺类器官 １５５ 
参考文献 １６４ 
第７章 肌肉类器官 １７１ 
７．１ 骨骼肌的结构与功能 １７１ 
７．２ 骨骼肌类器官的构建 １７２ 
７．３ 骨骼肌类器官的鉴定 １７５ 
７．４ 骨骼肌类器官的应用与展望 １７７ 
参考文献 １８２ 
第８章 心脏与血管类器官 １８６ 
８．１ 心脏类器官 １８６ 
８．２ 血管类器官 ２０６ 
８．３ 心血管类器官的展望 ２１８ 
参考文献 ２１８ 
第９章 乳腺类器官 ２２５ 
９．１ 乳腺的结构与功能 ２２５ 
９．２ 乳腺类器官的构建 ２２８ 
９．３ 乳腺类器官的鉴定 ２３４ 
９．４ 乳腺类器官的应用与展望 ２３８ 
参考文献 ２４６ 
第１０章 脑类器官 ２５２ 
１０．１ 脑的结构与功能 ２５２ 
１０．２ 脑类器官的构建 ２５４ 
１０．３ 脑类器官的鉴定 ２６３ 
１０．４ 脑类器官的应用与展望 ２６７
参考文献 ２９０ 
第１１章 视网膜和内耳类器官 ３０２ 
１１．１ 视网膜类器官 ３０２ 
１１．２ 内耳类器官 ３１５ 
参考文献 ３３０ 
第１２章 皮肤类器官 ３３９ 
１２．１ 皮肤的结构和功能 ３３９ 
１２．２ 皮肤及皮肤附属器类器官的构建 ３４０ 
１２．３ 皮肤类器官的鉴定 ３４３ 
１２．４ 皮肤类器官的应用与展望 ３４７ 
参考文献 ３５７ 
第１３章 类胚胎 ３６３ 
１３．１ 早期胚胎的结构和功能 ３６３ 
１３．２ 类胚胎的构建 ３６６ 
１３．３ 类胚胎的鉴定 ３７２ 
１３．４ 类胚胎的应用与展望 ３７４ 
参考文献 ３７７ 
第１４章 肿瘤类器官 ３８６ 
１４．１ 肿瘤类器官的发展历史及优势 ３８７ 
１４．２ 肿瘤类器官生物库的构建 ３９１ 
１４．３ 肿瘤类器官的鉴定 ３９５ 
１４．４ 肿瘤类器官进展 ３９７ 
１４．５ 肿瘤类器官的应用与展望 ４１０ 
参考文献 ４１９ 
第１５章 复杂类器官与多器官互作 ４２７ 
１５．１ 复杂类器官的定义 ４２７ 
１５．２ 复杂类器官的构建策略 ４２７ 
１５．３ 复杂类器官实例 ４３５ 
１５．４ 复杂类器官在生物医学领域的应用 ４３９ 
１５．５ 总结与展望 ４４２ 
参考文献 ４４３
第１６章 前景与展望 ４４９ 
１６．１ 类器官与疾病资源库 ４４９ 
１６．２ 类器官与新药临床试验 ４５０ 
１６．３ 类器官与多组织重构 ４５１ 
参考文献 ４５４ 
索引 ４５６

近10年来，一种全新的三维体外研究模型——类器官迅速发展起来，成为细胞生物学和临床医学发展最快的前沿技术之一，已在肿瘤、发育和再生医学等多个基础研究领域中展现出独特的优势，并成为赋能新药研发最具潜力的研究工具之一。书全面梳理了类器官的研究进展，涵盖了包括消化道组织、神经组织等多种类器官；系统介绍了各种类器官的基本结构与细胞组成、类器官的构建与鉴定以及类器官的应用。此外，还专门介绍了类胚胎与肿瘤类器官的研究进展，以及类器官与其他新兴生物技术（如生物芯片）的结合。展望未来，本书提出类器官的标准化，构建机制的鉴定，血管化、免疫化和神经化类器官构建等将是未来的重要技术突破方向。本书为读者构建了一个类器官研究与应用的知识体系，从而帮助读者快速了解类器官研究领域的现状和发展趋势。

陈晔光：博士，清华大学/南昌大学教授、博士生导师，中国科学院院士、发展中国家科学院院士。主要通过类器官技术和动物模型等研究成体干细胞自我更新和分化的机制，同时探索信号调控细胞命运的分子机制及癌症等疾病发生发展的机理。先后主持科技部973项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金委创新研究群体和重点项目等多项国家科技项目，主编的研究生教材入选“十一五、十二五国家级规划教材”和首届全国优秀教材建设奖。兼任Cell Regeneration杂志主编、亚太细胞生物学组织理事长、国际细胞生物学联盟副理事长等。               

惠利健：博士，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生化细胞所）研究员、杰青、“万人计划”科技创新领军人才。现任细胞生物学国家重点实验室副主任；兼任中国细胞生物学会常务理事、细胞治疗研究与应用分会会长。在细胞属性转换和肝脏再生领域做出了一系列原创发现，率先发现了细胞转分化现象，解析了肝细胞去分化机制，建立了肝细胞制备方法并应用于肝衰竭治疗。目前，基于其发现的生物人工肝技术已经进入临床试验。研究成果获“中国十大科学进展”、上海市自然科学一等奖、中国青年科技奖等。