一、介绍

类器官是三维微型器官，通常由干细胞（多能干细胞或成体干细胞）培养而成，它们在体外细胞外基质中自组织，与二维细胞培养相比，能够更好地模拟体内生理功能。类器官几乎可以从每个人类或动物器官中培养而来，其复杂性远超球状体。虽然两者都能生成包含多种细胞类型的三维结构，但类器官的复杂性更高，在组织学和遗传学上更接近原始器官。

研究人员利用类器官进行各种应用，包括疾病建模、药物发现和开发、个性化医疗、生物疗法和组织工程。它们为治疗如何影响患病或健康器官提供了宝贵的临床前信息，从而更好地指导临床研究。

类器官虚拟图

二、传统类器官模型的局限性

与其他任何模型一样，类器官的使用也存在局限性和挑战，包括：

1. 培养寿命/坏死核心

2. 血管化不足

3. 缺乏免疫成分

4. 细胞去分化

5. 培养变异性和类器官同质性

6. 检测灵敏度

7. 数据输出深度（更高含量的输出需要类器官池化）

8. 孤立的单器官模型

三、微生理系统的进展

使用类器官时，一个简单的调整方法是改用灌注细胞培养，即使用微生理系统（MPS），通过持续流动培养基来模拟血液流动。

灌注具有多种功能。与血液一样，灌注可以提供持续的氧气和营养物质，同时清除代谢废物。这对于类器官的生长和分化尤为重要，因为它们经常会遇到生长停滞和坏死核心的问题。克服这一主要限制可以制备更大的组织，从而进行更丰富的数据分析。

此外，微流体流动还能提供重要的生物力学信号。例如，血流会产生剪切应力，即组织内部的平行摩擦力。通过将微循环的剪切应力引入模型，可以更好地模拟人体生理和生物化学过程。灌注的另一个关键方面是细胞间通讯。灌注会诱导细胞分泌组（例如细胞因子、蛋白质和囊泡）的细胞间移动，从而重现与人体内类似的条件。

利用微生理系统（MPS）在灌注条件下培养类器官确实可以缓解一些限制，但其有限的寿命仍然限制了其应用，尤其是在研究复杂或潜在的药物效应时。此外，它们相对较小的尺寸会影响检测灵敏度和数据输出的深度。后者可以通过将多个类器官混合来克服，但这会增加每次检测的成本。

四、下一代类器官长什么样？

芯片器官培养与类器官不同，前者代表了具有更接近人体空间结构的三维组织。例如，为了支持微组织形成，一些芯片肝脏装置，如CN Bio公司的PhysioMimix Core和Multichip Liver板（图1） ，包含带有胶原蛋白涂层孔隙的支架。

微组织由预先混合的原代细胞自组装形成，且相对均匀。微组织在孔隙内形成（图2），留下内部腔隙，培养基可通过该腔隙流动，从而模拟肝窦结构并避免坏死核心问题。

图1：CN Bio的PhysioMimix Core和肝芯片板（MPS-LC12），图中放大展示了灌注液如何在每个芯片周围循环。另有包含 4 倍芯片数量的肝脏-48 板（MPS-LC48）可供选择。

图2：在支架孔隙中形成的芯片肝脏组织。图片来源：CN Bio公司的Emily Richardson博士。

OOC培养物在灌注的辅助下，能够维持细胞健康和功能数周或数月之久，这比传统的类器官培养物有了明显提升，后者通常在几天或几周内就会失去活力和功能[1,2]。这些模型寿命的延长使得研究药物的长期慢性暴露以及更复杂的生物相互作用的长期研究成为可能[ 3]。

生理相关性是限制某些类器官应用的关键障碍，尤其是在肺等屏障器官方面。从结构上看，肺气道由假复层上皮构成，其顶端在呼吸过程中暴露于空气中。类器官通常在培养基或凝胶中浸泡培养以促进其形成，因此，尽管已开发出顶端朝内或顶端朝外的肺类器官，但它们无法模拟 体内环境。因此，类器官在感染、环境研究和药物开发等领域的应用受到限制，因为进入肺部的主要途径——气溶胶化和吸入——无法实现。此外，纤毛摆动频率和黏液分泌等关键肺功能指标也无法被充分理解。利用体外培养技术（OOC）（图3），研究人员可以构建更具生理相关性的屏障模型（图4），从而实现上皮细胞同时暴露于空气和下方培养基灌注[4, 5]。

图3：屏障板（货号：MPS-T12），放大图展示了灌注液如何在Transwell插入物周围循环。

图4：支气管肺芯片组织在气液界面培养 7 天后，可见支气管细胞在膜的顶端形成假复层上皮，内皮细胞在膜的基底外侧形成内皮。组织经阿利新蓝染色以突出显示黏液的产生。图片来源：CN Bio的Emily Richardson博士。

OOC生成的相对较大的组织具有高度功能性，能够提供临床相关的终点指标、毒性输出生物标志物以及与人体相关的代谢，从而使数据能够与 体内 或临床情况进行比较[6]。这些指标在体外检测一直非常困难 ，但更大规模的芯片器官微组织提高了检测灵敏度，使得更复杂的临床化学指标（例如天冬氨酸转氨酶 (AST) 和丙氨酸转氨酶 (ALT)）以及由I期和II期代谢物引起的更细微的毒性均可被检测到[7]。Nitsche等人的一项有趣研究探索了不同配置的肝脏微生理系统 (MPS) 在模拟胆汁淤积化学效应方面的潜力。他们的研究结果表明，在灌注类器官培养中可以检测到胆汁酸合成，但其水平较低；然而，当应用测试化合物时，这些培养物未能重现胆汁淤积损伤生物标志物。相比之下，原代人肝细胞芯片肝脏微组织（由 PhysioMimix MPS 培养）对所有三种测试化合物均有反应，表现为胆汁酸释放减少，这是胆汁淤积损伤的生物标志物[8]。

此外，更大的微组织培养能够从每个组织（而不是类器官池）中获得更深入的机制见解，包括可溶性细胞健康和功能标记，以及挖掘组织以获取数据丰富的终点，例如高内涵成像和组学分析[9,10]。

通过将器官模型进行流体连接，可以进一步增强基于器官外吸收（OOC）的检测方法与人体的相关性。例如，将肝脏组织与其他“进入途径”器官（肠道或肺，图 5）连接起来，可以研究活性代谢物驱动的毒性，以及评估药物的吸收、代谢[11]和重要的生物利用度[12]。

图5：双器官芯片板（货号：MPS-TL6），放大图展示了灌注液如何围绕屏障和肝脏隔室循环。

免疫功能是类器官的另一项关键局限性，可以通过在类器官中培养组织驻留免疫细胞和外周免疫细胞来增强免疫功能，其中外周免疫细胞通过培养基灌注循环。这种免疫系统的模拟使科学家能够揭示免疫介导的毒性问题，诱发具有炎症成分的常见疾病，例如代谢功能障碍相关性肝病（MASH[6]），或模拟人类对感染的反应，例如COVID-19[5]或乙型肝炎[2]，而这些感染不太适合使用动物模型。

图：器官芯片与2D、3D、动物模型的优势对比

五、结论和建议

总之，类器官是一种强大的体外工具，与传统的二维培养和动物模型相比，它能够显zhu提高药物发现和开发流程的人体相关性（表1）。然而，类器官的局限性促使人们开发出更复杂的细胞培养方法，例如类器官培养（OOC），这些方法能够更准确地模拟人体生理的关键方面。

将类器官与OOC结合使用，能够帮助我们进一步推进工作流程，发现更深层次的机制信息，以及更复杂、更潜在的效应，而这些效应在其他方法中可能被忽略。总而言之，这些方法为克服动物模型的跨物种局限性、弥合临床前数据和临床数据之间的差距提供了一条途径，同时也有助于推动监管机构减少和最终取代药物开发中的动物实验。

曼博生物（MineBio）：CN Bio 正式授权的中国代理商

作为中国器官芯片领域的专业服务者与资源整合方，曼博生物专注于连接国际前沿技术与本土产业需求，致力于弥补国内器官芯片行业在技术标准化与产业链协同中的短板。通过引入经全球权威机构验证且应用互补的器官芯片技术，我们提供从技术适配、产品供应到场景化应用支持的综合服务，助力中国生物医药企业、科研机构及相关单位探索更优质、更符合伦理的药物研发路径，逐步推动器官芯片在药物开发、有效性评估、毒性评估等领域的实践应用。

扩展阅读

1.CN Bio｜可用于体外寡核苷酸（siRNA和ASO等）递送检测方法的器官芯片

2.CN Bio｜利用跨物种肝脏MPS DILI检测，增强体外到体内外推

参考

[1]Rubiano et al., Characterizing the reproducibility in using a liver microphysiological system for assaying drug toxicity, metabolism, and accumulation. Clin Transl Sci, 2021.

[2]Ortega-Prieto et al., 3D microfluidic liver cultures as a physiological preclinical tool for hepatitis B virus infection. Nat Commun, 2018.

[3]Long et al., Modeling therapeutic antibody small molecule drug-drug interactions using a three-dimensional perfusable liver coculture platform. Drug Metab Dispos, 2016.

[4]Phan et al., Advanced pathophysiology mimicking lung models for accelerated drug discovery, Biomat Res. 2023.

[5]Caygill et al., Dynamic Culture Improves the Predictive Power of Bronchial and Alveolar Airway Models of SARS-CoV-2 Infection bioRxiv, 2025.

[6]Kostrzewski et al., A microphysiological system for studying nonalcoholic steatohepatitis. Hepatol Commun., 2019.

[7]Rowe et al., Perfused human hepatocyte microtissues identify reactive metabolite-forming and mitochondria-perturbing hepatotoxins. Tox In Vitro, 2018.

[8]Nitsche et al., Exploring the potential of liver microphysiological systems of varied configurations to model cholestatic chemical effects. Arch Toxicol (2025).

[9]Gallager et al., Normalization of organ-on-a-Chip samples for mass spectrometry based proteomics and metabolomics via Dansylation-based assay. Tox In Vitro, 2023.

[10]Novac et al., Human liver microphysiological system for assessing drug-induced liver toxicity in vitro. JoVE, 2022.

[11]Milani et al., Application of a gut-liver-on-a-chip device and mechanistic modelling to the quantitative in vitro pharmacokinetic study of mycophenolate mofetil. Lab Chip, 2022.

[12]Abbas et al., A primary human Gut/Liver microphysiological system to estimate human oral bioavailability. Drug Metab Dispos, 2025.