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本报告由 MaltSci•麦伴科研 基于最新文献和研究成果撰写

类器官在疾病模型中的作用是什么？ ​

摘要 ​

近年来，器官类器官（organoids）作为一种新兴的生物模型，正在迅速改变生物医学研究的面貌。器官类器官是从干细胞或组织来源的细胞培养而成的三维（3D）结构，能够在体外模拟特定器官的结构和功能。这种模型的出现为我们理解复杂的生物过程、疾病机制以及个体化治疗提供了新的视角。器官类器官在癌症、神经退行性疾病、感染性疾病等多个领域的应用展现出了其独特的优势，尤其是在再现疾病微环境、探究疾病发生发展机制以及进行药物筛选与毒性评估方面的潜力。尽管其在疾病建模中的应用前景广阔，但仍面临一些挑战，包括模型标准化问题、长期培养稳定性及临床转化能力的探索等。本文将探讨器官类器官的定义与特性、在疾病建模中的应用现状、技术进展及未来发展方向。通过对器官类器官的深入探讨，旨在为研究者提供一个全面的视角，帮助他们更好地理解这一新兴技术在生物医学研究中的应用潜力与发展前景。

大纲 ​

本报告将涉及如下问题的讨论。

  • 1 引言
  • 2 器官类器官的定义与特性
    • 2.1 器官类器官的来源
    • 2.2 器官类器官的生物学特性
  • 3 器官类器官在疾病建模中的应用
    • 3.1 癌症模型
    • 3.2 神经退行性疾病模型
    • 3.3 感染性疾病模型
  • 4 器官类器官技术的进展
    • 4.1 细胞培养技术的创新
    • 4.2 组织工程与生物材料的结合
  • 5 面临的挑战与未来方向
    • 5.1 模型标准化的必要性
    • 5.2 临床转化的障碍
  • 6 总结

1 引言 ​

近年来，器官类器官（organoids）作为一种新兴的生物模型，正在迅速改变生物医学研究的面貌。器官类器官是从干细胞或组织来源的细胞培养而成的三维（3D）结构，能够在体外模拟特定器官的结构和功能[1]。这种模型的出现为我们理解复杂的生物过程、疾病机制以及个体化治疗提供了新的视角。器官类器官在癌症、神经退行性疾病、感染性疾病等多个领域的应用展现出了其独特的优势，尤其是在再现疾病微环境、探究疾病发生发展机制以及进行药物筛选与毒性评估方面的潜力[2][3]。

器官类器官的研究意义重大。传统的细胞培养和动物模型往往无法准确反映人类疾病的复杂性，尤其是在遗传性疾病和肿瘤等领域[2]。器官类器官的引入使得研究者能够在更接近生理条件的环境中进行实验，从而获得更具生物学相关性的结果。通过对器官类器官的研究，科学家们不仅能够揭示疾病的机制，还能为新药的开发和个性化治疗提供可靠的实验基础[4]。

目前，器官类器官的研究现状表明，尽管其在疾病建模中的应用前景广阔，但仍面临一些挑战。首先，器官类器官的标准化问题亟待解决，不同实验室之间的模型可能存在显著差异，这影响了研究结果的可重复性和可靠性[5]。其次，器官类器官的长期培养稳定性及其在临床应用中的转化能力仍需进一步探索。此外，如何更好地模拟器官的微环境、血管化及免疫整合等方面的研究仍处于起步阶段[6]。

本文将从以下几个方面对器官类器官在疾病建模中的角色进行综述：首先，介绍器官类器官的定义与特性，包括其来源和生物学特性；其次，探讨器官类器官在癌症、神经退行性疾病和感染性疾病模型中的应用现状；接着，分析器官类器官技术的最新进展，特别是在细胞培养技术和组织工程方面的创新；最后，讨论器官类器官面临的挑战及未来的发展方向，包括模型标准化的必要性和临床转化的障碍。

通过对器官类器官的深入探讨，本文旨在为研究者提供一个全面的视角，帮助他们更好地理解这一新兴技术在生物医学研究中的应用潜力与发展前景。

2 器官类器官的定义与特性 ​

2.1 器官类器官的来源 ​

器官类器官（organoids）是由干细胞或其他类型的细胞在体外培养形成的三维（3D）微型器官，能够模拟真实器官的结构和功能。这些器官类器官在生物医学研究中扮演着越来越重要的角色，尤其是在疾病建模、药物筛选和个性化医疗等领域。

首先，器官类器官在疾病建模方面具有显著的优势。它们能够再现组织的生理特征和病理状态，使研究人员能够在体外环境中更真实地模拟疾病的发生和发展。例如，器官类器官被用于研究各种遗传疾病的机制，通过建立不同器官（如大脑、肾脏、肺等）的类器官模型，研究人员能够识别新的致病基因，阐明疾病机制，并推动药物筛选和基因编辑治疗的进展[2]。此外，器官类器官还被应用于感染疾病的研究，能够有效模拟病原体与宿主之间的相互作用，从而为抗病毒药物的开发提供新思路[7]。

其次，器官类器官的来源主要包括人类的干细胞，如诱导多能干细胞（iPSCs）、胚胎干细胞（ESCs）以及成人干细胞（ASCs）。这些细胞在适当的培养条件下，能够自我组织并分化为具有特定功能的细胞群体，形成具有组织特征的类器官。例如，肺类器官可以从肺部的成体干细胞或诱导多能干细胞中获得，这些类器官能够模拟肺部的细胞异质性和功能特征，进而用于肺疾病的研究[3]。

最后，器官类器官的特性使其在基础研究和转化医学中具有广泛的应用潜力。它们不仅可以用于药物的毒性和疗效评估，还能在再生医学中作为细胞治疗的候选材料。器官类器官能够减少对动物模型的依赖，为个性化医疗提供了新的研究平台，使得药物筛选和疾病模型更加高效和精准[4]。

综上所述，器官类器官作为一种先进的生物医学研究工具，在疾病建模、药物开发和个性化治疗等方面展现出了巨大的潜力，推动了生物医学研究的进展。

2.2 器官类器官的生物学特性 ​

器官类器官（organoids）是从干细胞衍生的三维（3D）细胞培养系统，能够模拟人类器官的结构和生理特征。它们的生物学特性使其成为疾病建模的重要工具，能够有效地桥接传统的细胞培养和动物模型与真实的人类疾病状态之间的差距。器官类器官不仅保留了其来源组织的分子、结构和功能特征，还为研究人类健康和疾病的生物学提供了一个有吸引力的机会[8]。

器官类器官在疾病建模中的角色主要体现在以下几个方面：

  1. 再现组织结构与功能：器官类器官能够再现复杂的组织结构和功能，提供比传统的二维细胞培养更为生理相关的模型。这种三维结构使得器官类器官能够更好地模拟细胞间的相互作用和微环境，从而反映真实器官的生物学特性[1]。

  2. 疾病机制的研究：器官类器官在遗传疾病、肿瘤、感染性疾病等方面的建模能力，使其成为研究疾病机制的重要工具。通过使用患者来源的细胞生成的器官类器官，研究人员能够更深入地理解特定疾病的病理生理过程，识别新的致病基因，并阐明疾病机制[2]。

  3. 药物筛选与个性化医疗：器官类器官为药物筛选提供了一个生理相关的模型，可以评估药物的疗效和毒性。这种模型的应用在肿瘤学、神经学、肝脏毒性等领域得到了广泛的研究，促进了个性化医疗的发展[9]。例如，器官类器官能够通过基因编辑技术模拟遗传疾病，从而在药物开发过程中提供更精准的结果[10]。

  4. 感染病模型：器官类器官在感染性疾病研究中也展现了其重要性。它们能够模拟宿主与病原体之间的相互作用，帮助科学家理解感染机制，并开发新的治疗策略。通过使用不同来源的器官类器官，研究人员可以探索多种病原体的感染特征，推动对感染病的理解和治疗方法的创新[11]。

  5. 生物工程与技术整合：器官类器官的研究不断与生物工程技术相结合，如微流体技术和人工智能等，这些技术的整合增强了器官类器官的功能成熟度和可扩展性，推动了在疾病建模、再生医学和药物评估等领域的应用[1]。

综上所述，器官类器官作为一种新兴的生物学模型，因其能够真实再现人类器官的结构与功能，已成为疾病建模、药物开发及个性化医疗等领域不可或缺的工具。随着技术的不断进步，器官类器官在未来的生物医学研究中将发挥更为重要的作用。

3 器官类器官在疾病建模中的应用 ​

3.1 癌症模型 ​

器官类器官（organoids）在疾病建模，尤其是癌症模型中，扮演着至关重要的角色。作为三维（3D）细胞培养模型，器官类器官能够忠实再现体内组织的结构和功能，为研究人类疾病提供了更为生理相关的实验平台。

首先，器官类器官的构建可以从各种癌细胞类型中获得，包括多能干细胞、诱导多能干细胞、前体细胞以及成体干细胞。这种来源的多样性使得器官类器官能够更好地模拟不同类型肿瘤的生物学特征[12]。此外，器官类器官能够保持原始肿瘤的遗传和表型异质性，从而为研究肿瘤生物学提供了宝贵的工具[13]。

在癌症研究中，器官类器官被广泛应用于疾病建模、药物发现、毒性测试和精准肿瘤学等多个领域。研究表明，器官类器官能够再现肿瘤的三维结构、细胞异质性和功能，具备与患者器官相似的正常氧气条件[12]。这种生理相关性使得研究人员能够更准确地研究肿瘤细胞的动态变化、肿瘤微环境的复杂性以及药物对肿瘤的反应[14]。

器官类器官在癌症模型中的另一个重要应用是个性化医疗。通过对患者来源的器官类器官进行药物筛选，研究人员可以评估不同药物的疗效和毒性，从而为患者提供个性化的治疗方案[15]。这种方法不仅可以加速药物开发，还能提高临床试验的成功率，因为它们能够更好地反映患者的生物学特征[16]。

此外，器官类器官在探索非凋亡性调控细胞死亡（如铁死亡、火焰性坏死和坏死性凋亡）在癌症发展中的作用方面也显示出巨大潜力。这些研究有助于深入理解肿瘤生物学和治疗反应的分子机制[13]。通过结合基因编辑技术，研究人员能够在器官类器官中引入特定的癌症基因突变，从而模拟肿瘤发生的过程[17]。

总之，器官类器官作为一种革命性的疾病建模工具，不仅在癌症研究中提供了新的视角，还为个性化医疗和精准治疗的实现奠定了基础。随着技术的不断进步，器官类器官的应用前景将更加广阔，有望在未来的肿瘤学研究和临床实践中发挥更大的作用。

3.2 神经退行性疾病模型 ​

器官类器官（organoids）在疾病建模，尤其是神经退行性疾病的研究中扮演着越来越重要的角色。神经退行性疾病如阿尔茨海默病、帕金森病等，通常难以通过传统的二维细胞培养或动物模型来有效模拟其复杂的病理特征。这是因为这些传统模型往往无法准确再现人类疾病的表型及其潜在机制[18]。

近年来，源自人类诱导多能干细胞（iPSCs）的三维脑类器官被广泛应用于神经退行性疾病的建模。脑类器官能够在体外自我组织，形成类似于人类大脑的结构，这使得研究人员能够在更接近生理状态的环境中研究疾病相关的细胞相互作用及其病理机制[19]。例如，脑类器官不仅可以用于模拟神经元的生成和迁移，还能够形成功能性神经网络，从而提供有关神经退行性疾病发病机制的深刻见解[20]。

脑类器官的优势在于它们能够模拟疾病相关细胞的特征，包括神经元和胶质细胞之间的相互作用，这对于理解疾病的复杂性至关重要。研究表明，利用脑类器官可以有效地研究阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病的病理特征[21][22]。此外，这些模型还为新疗法的开发和药物筛选提供了一个有前景的平台，使研究人员能够在体外测试潜在的治疗策略，进而提高临床转化的成功率[23]。

然而，尽管脑类器官在建模神经退行性疾病方面显示出巨大的潜力，但仍然存在一些挑战。例如，脑类器官在细胞成熟度、血管化及细胞多样性方面尚未完全匹配人类组织的特性，这限制了它们在模拟某些疾病方面的有效性[24][25]。因此，未来的研究需要集中在如何提高脑类器官的成熟度和功能，以便更好地再现人类神经退行性疾病的病理特征[22]。

综上所述，器官类器官在神经退行性疾病的建模中发挥着重要作用，提供了一种新颖的、能够更真实地反映人类疾病的研究工具。这种技术的进一步发展将为我们理解这些复杂疾病的机制以及开发新的治疗策略提供更多的可能性。

3.3 感染性疾病模型 ​

器官类器官（organoids）在疾病建模，尤其是在感染性疾病模型中的应用，正逐渐成为生物医学研究的重要工具。器官类器官是由胚胎干细胞、成人干细胞或诱导多能干细胞通过自我更新和自我组织形成的三维细胞聚集体。这些模型能够模拟人类器官的结构和功能，相较于传统的二维细胞培养，提供了更具生理相关性的研究平台[6]。

近年来，随着新冠病毒病（COVID-19）等感染性疾病的流行，研究人员开始广泛应用器官类器官来进行病原体与宿主相互作用的建模。这种模型能够更准确地再现病原体感染过程和宿主反应，从而帮助科学家们理解疾病机制，并为药物筛选提供可靠的基础[26]。例如，器官类器官技术已被用于研究多种病毒感染，包括SARS-CoV-2、寨卡病毒和流感病毒等[7]。

在具体应用方面，器官类器官能够模拟感染过程中的多个方面，如宿主对病原体的免疫反应、病原体的生物学特性以及治疗干预的效果。通过这些模型，研究人员能够进行病毒感染的动态观察、药物筛选以及基因编辑等实验，从而加速对感染性疾病的理解和治疗方案的开发[27]。例如，肺器官类器官被用于研究与呼吸道感染相关的病理机制，以及评估抗病毒药物的有效性[28]。

此外，器官类器官在建模宿主-病原体相互作用方面具有重要意义。这些模型能够复现宿主组织的微环境，使得研究人员能够探索病原体如何逃避宿主免疫系统、感染宿主细胞以及引发病理反应[11]。在抗生素抗性、流行病和院内感染等问题日益突出的背景下，器官类器官的研究显得尤为重要，它们为感染性疾病的研究提供了新的视角和工具[29]。

综上所述，器官类器官在感染性疾病模型中的应用，不仅促进了对疾病机制的深入理解，也为新药的研发和治疗策略的制定提供了重要支持。随着技术的不断进步，器官类器官有望在感染性疾病的研究中发挥更加关键的作用。

4 器官类器官技术的进展 ​

4.1 细胞培养技术的创新 ​

器官类器官（organoids）技术在疾病建模中发挥着至关重要的作用，尤其是在模拟复杂的人类疾病状态和生物学过程方面。器官类器官是由干细胞自我组织形成的三维（3D）细胞结构，能够精确再现原始组织的形态和功能特征。这一技术的快速发展使其成为生物医学研究中的革命性平台，广泛应用于疾病建模、药物评估和个性化医疗等多个领域。

首先，器官类器官能够更好地再现体内组织的结构和功能，克服了传统二维细胞培养模型的局限性。研究表明，患者来源的器官类器官（PDOs）在药物反应上与患者的实际情况高度一致，并显示出与基因变异的相关性，这使得它们在疾病生物学研究和新疗法开发中具有重要价值（Chen & Na 2022）[3]。例如，肺器官类器官已被成功应用于研究多种肺部疾病，包括肺癌、流感、囊性纤维化和新冠病毒感染等，展示了其在基础和转化研究中的潜力[30]。

其次，器官类器官在遗传疾病的建模中也展现出巨大的应用前景。由于其固有的遗传保真性，器官类器官为传统细胞培养和动物模型与真实人类疾病状态之间架起了一座桥梁。研究显示，器官类器官模型能够有效识别新的致病基因，阐明疾病机制，并推动药物筛选平台、基因编辑疗法和器官移植策略的进展（Zhu et al. 2025）[2]。

此外，器官类器官在感染性疾病的研究中也显示出独特的优势。它们能够模拟病原体与宿主的相互作用，为研究病原体生物学和药物筛选提供可靠的实验平台（Ryu et al. 2025）[6]。通过使用来自不同器官的器官类器官，研究人员可以更深入地理解病原体感染的机制，并开发出更有效的治疗方案。

然而，尽管器官类器官技术在疾病建模方面具有广泛的应用潜力，但仍然面临一些挑战，例如在复杂病理的再现、生产规模的扩展以及血管化和免疫整合等方面的限制（Huang et al. 2025）[1]。未来的研究需要进一步探索跨学科的创新策略，以充分发挥器官类器官在生物医学领域的潜力。

综上所述，器官类器官技术的进展为疾病建模提供了新的视角和工具，促进了基础研究与临床应用之间的转化，为个性化医疗和新疗法的开发奠定了坚实的基础。

4.2 组织工程与生物材料的结合 ​

器官类器官技术在疾病建模中发挥着至关重要的作用。作为三维（3D）生理相关模型，器官类器官能够有效地再现组织结构、疾病异质性以及患者特异性的治疗反应，从而在疾病建模、再生医学、药物评估和精准肿瘤学等领域产生革命性的应用[1]。器官类器官的自组装能力使其能够模拟复杂的人体器官功能，为理解疾病机制提供了独特的实验平台[31]。

近年来，器官类器官与微流体技术、基因编辑、生物打印和人工智能的结合，显著增强了其微环境控制、功能成熟度和可扩展性。这种多方面的生物医学应用使得器官类器官在疾病建模中的角色愈加突出[1]。例如，器官类器官不仅能够用于基础生物学研究和药物筛选，还能够模拟特定疾病的病理过程，提供个性化医学的基础[32]。

在组织工程领域，器官类器官的结合为组织修复和重建提供了新的策略。传统的组织工程方法在再生复杂器官时常常面临难以完全再现生理功能的挑战，而器官类器官则通过自组装的特性和对细胞微环境的模拟，为再生医学提供了更为有效的解决方案[31]。通过将器官类器官技术与先进的生物材料结合，可以实现对细胞自组织、分化途径和功能成熟度的有效调控，从而推动临床转化和治疗方法的改善[33]。

在药物筛选方面，器官类器官为评估药物的有效性和安全性提供了更为生理相关的模型。这种模型不仅能更好地模拟药物对目标组织的影响，还能减少对动物实验的依赖，从而加快药物开发的进程[33]。通过结合生物材料，研究者能够优化器官类器官的培养环境，提高其在药物筛选中的应用效果[34]。

总之，器官类器官在疾病建模中的作用不可小觑，它们不仅为基础研究提供了新的工具，还为个性化医疗和药物开发开辟了新的方向。随着生物材料和组织工程技术的不断进步，器官类器官的应用前景将更加广阔，为未来的生物医学研究和临床应用提供更为强大的支持。

5 面临的挑战与未来方向 ​

5.1 模型标准化的必要性 ​

在生物医学研究中，类器官（organoids）作为一种新兴的三维（3D）细胞培养模型，正逐渐成为疾病建模的重要工具。类器官能够更真实地模拟人体组织的结构和功能，因此在疾病建模、药物筛选和个性化医疗等方面展现出巨大潜力。其主要优势在于能够重现组织的细胞异质性、疾病的复杂性以及患者特异性的治疗反应，从而为精准医学提供支持[1]。

尽管类器官技术在疾病建模中具有显著的优势，但仍面临诸多挑战。首先，现有的类器官模型在再现复杂病理特征和组织间相互作用方面存在一定的局限性，尤其是在多器官系统的交互作用上[35]。此外，标准化的缺乏使得类器官的培养和应用存在不一致性，影响了研究结果的可重复性和可靠性[36]。为了克服这些挑战，研究者们正在积极探索改进类器官培养的标准化流程，包括优化培养基、细胞来源以及培养条件，以确保不同实验室之间的结果可比性[37]。

未来的研究方向应聚焦于以下几个方面：首先，继续推动类器官技术与微流控技术、基因编辑技术等前沿技术的结合，以提升模型的生理相关性和功能成熟度[32]。其次，针对类器官的血管化、免疫整合等问题进行深入研究，以提高其在疾病建模和药物开发中的应用效果[1]。最后，建立更为完善的类器官生物库，促进不同类型类器官的标准化和大规模生产，以便在临床前研究中更好地应用于个性化医疗和精准治疗[37]。

综上所述，类器官在疾病建模中扮演着至关重要的角色，其应用潜力和挑战并存。通过不断的技术创新和标准化努力，类器官有望在未来的生物医学研究中发挥更为重要的作用。

5.2 临床转化的障碍 ​

Organoids在疾病建模中扮演着重要的角色，特别是在理解复杂的疾病机制、进行药物筛选以及个性化医疗方面。作为三维（3D）体外模型，organoids能够更真实地再现人类器官的结构和功能，提供了比传统二维细胞培养和动物模型更为生物学相关的研究平台[1][2][38]。

在疾病建模方面，organoids可以用于模拟各种疾病，包括遗传疾病、癌症、感染性疾病等。它们的优势在于能够保留来源组织的遗传特征和细胞异质性，使得研究人员能够更好地理解疾病的发病机制，并开发新的治疗策略。例如，研究表明，患者来源的organoids在药物反应上与患者的临床反应高度一致，这为药物筛选和个性化治疗提供了可靠的基础[3][39]。

然而，尽管organoids在疾病建模中展现出巨大的潜力，当前仍面临多重挑战。首先，现有的organoid技术在重现复杂病理特征和组织微环境方面存在局限性，这可能影响其在临床转化中的有效性[1][38]。其次，organoids的生产和扩增过程尚未标准化，导致在临床应用时面临效率低下和一致性不足的问题。此外，如何实现对组织血管化、免疫整合及标准化的有效控制也是当前研究的重点挑战[40][41]。

在未来的发展方向上，研究者们提出了通过多组学整合和生物工程创新来提升organoids的个性化医疗潜力。未来的研究可能会集中在改善organoids的生理相关性和功能成熟度，以便更好地模拟人类疾病。此外，结合微流体技术、基因编辑和生物打印等新兴技术，将进一步推动organoids在药物筛选和再生医学中的应用[4][10]。

总的来说，organoids作为一种新兴的疾病建模工具，虽然在临床转化方面面临诸多挑战，但其在基础研究和药物开发中的应用潜力巨大。通过不断的技术进步和跨学科的合作，organoids有望在未来的生物医学研究中发挥更为重要的作用[42][43]。

6 总结 ​

器官类器官作为一种新兴的生物医学研究工具，正在迅速改变疾病建模的方式。本文总结了器官类器官在癌症、神经退行性疾病和感染性疾病等领域的应用现状，强调了其在再现疾病微环境、研究疾病机制及进行药物筛选中的独特优势。尽管器官类器官技术在生物医学研究中展现出广阔的前景，但仍面临模型标准化、长期培养稳定性及临床转化等挑战。未来的研究应聚焦于优化培养条件、提升模型的生理相关性和功能成熟度，以及加强跨学科技术的结合，以推动器官类器官在个性化医疗和新疗法开发中的应用。通过不断的技术创新，器官类器官有望在未来的生物医学研究中发挥更为重要的作用。

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