类器官（organoid）是体外分化培养的3D细胞培养物，可以通过与对应器官的类似的空间组织重现对应器官的部分功能，从而提供一个高度生理相关系统。在过去十年，干细胞研究领域取得的关键进展之一就是类器官体系的发展。虽然类器官技术在研究界的广泛应用依然处于起步阶段，但是作为一种工具，类器官技术在诸多方面有着巨大的潜力，包括发育生物学、疾病病理学、细胞生物学、再生机制、精准医疗以及药物毒性和药效试验。
今天就和大家来介绍一篇发表在Cell Stem Cell（IF：25.27）上的关于类器官的高分综述，这篇“Building consensus on definition and nomenclature of hepatic, pancreatic, and biliary organoids”是由荷兰乌得勒支大学兽医学院临床科学系的Bart Spee教授带领其团队联合发表的。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.12.
研究内容
肝、胰和胆管类器官（Hepatic, pancreatic, and biliary organoids，HPB organoids）是研究发育、疾病和再生的有力工具。自首次成功研究组织衍生的肠道类器官以来，类器官生物学领域取得了巨大进展，该领域现已成为一个成熟且多样化的研究领域。这些类似组织的3D结构可以从越来越多的来源生成，包括分化多能干细胞、胎儿和成人原发组织以及原发性和转移性肿瘤。不同类型的类器官在其基本特征、复杂性和适用性方面存在根本差异。随着类器官研究的扩展，对描述这些系统的明确定义和命名法的需求也在增长，需要一致的定义和命名法来清楚地描述这些不同的结构。这篇综述作者重新审视了类器官的概念，并引入了一种直观的分类系统和命名法来描述这些3D结构。为了促进HPB类器官的标准化和验证，作者提出了建立、表征和基准化类器官系统的指南，并对类器官临床应用面临的一些主要挑战进行了讨论。
1.类器官的总体定义与子分类
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作者采用了一种改进的德尔菲法，该方法基于三个连续的问卷，然后进行圆桌讨论。通过该领域专家的共识，作者提出了类器官的总体定义，以及基于定义特征的子分类（图1）。此外，作者提出了组织衍生上皮类器官的命名法，目的是在该领域达到命名的清晰性和严谨性。重要的是，作者为随着领域发展而出现的未来类器官系统留有空间。
图1.类器官的总体定义（顶部面板）以及三个子分类（底部3个面板）
类器官的概念已经存在了几十年，多年来有许多科学解释。然而，该术语的广泛应用，从描述小组织外植体到在3D培养中自组织的克隆扩张细胞，使其含义不明确。为了澄清类器官一词和这一不断发展的研究领域，代表世界16个国家的60多名专家共同将类器官定义为衍生自多能干细胞、祖细胞，和/或通过细胞-细胞和细胞-基质相互作用自组织的分化细胞，以概括体外天然组织结构和功能的各个方面（图1）。虽然关于类器官系统建立的早期报告表明，类器官仅来源于干细胞，但现在很清楚，类器官也可以从分化细胞（如胆管细胞）中启动。作者提出，类器官可以根据定义的特征划分为不同的组。这些包括上皮类器官、多组织类器官和多器官类器官（图1）。值得注意的是，虽然作者关注HPB类器官，但拟议的分类系统也可以应用于其他器官的类器官。
上皮类器官（Epithelial organoids）是研究最广泛的类器官类型。这些结构来源于单个胚层（内胚层、中胚层或外胚层），在适当的培养条件下具有自我更新的能力。在这种情况下，自我更新描述了从类器官片段或单个细胞中重复再生类器官，从而允许培养物的连续扩增（图2）。上皮类器官通过这些结构在单个细胞克隆扩增中形成的能力证明了这一特征。随着上皮类器官的扩张，细胞极化并特化，以复制天然上皮的各个方面。值得注意的是，当上皮类器官物理破碎或酶和/或化学分解为单个细胞或无序细胞聚集体（随后在扩张条件下进行二次培养）时，细胞重组和增殖形成重组类器官。顾名思义，上皮类器官并不含有通常存在于天然组织中的中胚层成分。在某些情况下，上皮类器官与支持细胞共同培养，然而，这些细胞不会成为上皮类器官的一部分。更广泛地说，要使细胞成为类器官的组成部分，它们必须在功能上整合到整体结构中，并与类器官的增殖状态同步。
图2.类器官的自我更新
当类器官物理或酶和/或化学分解为片段或单个细胞（随后在扩张条件下进行二次培养）时，细胞重组和扩张，重组类器官
多组织类器官（Multi-tissue organoids）（图1）是通过来自至少两个胚层的细胞的共培养或PSC的共分化建立的。在肝脏、胰腺和胆道中，多组织类器官由内胚层和中胚层起源的细胞组成。与上皮类器官不同，目前的方案不支持多组织类器官的自我更新，这将需要协调扩展实质和支持细胞类型。相反，细胞相互作用以达到稳定的成熟度和功能水平。多组织类器官的一个优点是它们具有类似组织的异细胞成分。多组织类器官系统非常适合研究通常存在于天然组织中的多种细胞类型的异型细胞间相互作用。重要的是，这些培养物显示了上皮细胞和支持细胞类型之间的器官内自组织，类似于天然组织。
多器官类器官（Multi-organ organoids）（图1）是最复杂和描述最少的类器官类型。该亚型的特征是器官间发育自组织模式。这些系统在器官发生的研究中具有很大的前景，器官发生是一个由多个边界组织相互作用控制的过程。HPB多器官类器官可在培养物中维持至少90天，不仅显示多个HPB器官结构域，而且还显示它们之间的相互连接。
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2.不同细胞衍生的HPB类器官命名
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接下来，作者详细概述了从肝脏、胰腺和胆道衍生的类器官以及向HPB分化多能干细胞衍生的类器官培养的最新进展。
多能干细胞衍生的HPB类器官
自从Yamanaka及其团队报道了成熟体细胞高效重编程为iPSCs以来，已经有很多关于将iPSCs导向分化为特定的细胞类型的方法。现在已经可以将iPSCs生成上皮、多组织和多器官的HPB类器官（图3）。而且，胚胎干细胞（embryonic stem cells，ESCs）也可以使用相同的技术。目前，已经研究开发了多能干细胞衍生（pluripotent stem cells derived，PSC-derived）的肝类器官、胆道类器官、胰腺类器官等。
图3.从iPSCs生成上皮、多组织和多器官类器官
从人类肝脏、胰腺和胆道的原始组织中提取的类器官
现在可以从人类肝脏、胰腺和肝外胆道的原发组织培养自我更新的上皮类器官。为了建立培养基，将分离的细胞或组织片段嵌入富含基质的3D环境中，通常是基于Engelbreth-Holm Swarm（EHS）的水凝胶，并补充含有生长因子和小分子的培养基。几天内，3D结构开始出现，可以连续通行几个月。组织衍生的上皮类器官显示出高水平的遗传稳定性，并致力于其来源组织，使其成为一个有吸引力的系统，不仅可以用于体外测试，而且还用于治疗应用。作者回顾了组织衍生HPB类器官培养的最新进展并进行了总结（图4）。作者在进行HPB类器官的命名时，主要从这些问题出发：类器官的命名法应反映的最重要方面是什么？它应该反映起源的细胞类型、体外相似的细胞类型，还是类器官最相似的解剖结构？经过整个团队的共同探讨，他们认为单细胞型上皮系统的命名应反映体外相似的细胞类型，并且应明确定义起源的细胞和组织。这样，就可以知道从哪里开始（起源的组织和细胞），从哪里结束（体外细胞类型的相似性）。在某些情况下，两者是一致的。
图4.来自成人肝脏、胰腺和胆道原发组织的上皮类器官的命名法
来源于肝、胰腺和胆道原发性和转移性肿瘤的类器官的定义和命名
在发现组织来源的上皮细胞可以作为自我更新的类器官培养后，证明来自肝脏原发性和转移性肿瘤的肿瘤上皮细胞也可以作为自我更新的3D结构培养。与非肿瘤上皮类器官类似，肿瘤衍生的类器官通过细胞-细胞和细胞-基质相互作用自组织。然而，肿瘤衍生的类器官并没有概括健康组织的各个方面，而是捕捉了天然肿瘤的组织结构，并保留了原始肿瘤的基因组景观、基因表达谱和致瘤潜力，为体外研究癌症提供了一种新的工具。在文献中，这些系统缺乏一致的命名法，通常被称为肿瘤类器官（tumor organoids）、类癌（canceroids）或类肿瘤（tumoroids）。为了将肿瘤衍生的类器官与其他3D癌细胞模型区分开来，在将这些系统命名为肿瘤类器官方面达成了共识。此外，决定肿瘤类器官系统的命名应反映相关肿瘤的命名（图5）。作者回顾了来自肝脏、胰腺和胆道的肿瘤类器官培养的最新进展。
图5.源于肝、胰腺和胆道原发性或转移性肿瘤的肿瘤类器官的命名法
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3.HPB类器官的标准化和验证
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许多报告描述了从相同细胞来源生成HPB上皮类器官的对比方法。因此，给定系统的可变性增加。这使得在研究之间进行比较更加困难，阻碍了研究的翻译，并对每个系统的有效性提出了质疑。使问题进一步复杂化的是，类器官的复杂性正在快速增加。随着新型类器官系统的开发，保持目前努力所带来的清晰度至关重要。为了促进这一点，作者提出了指导原则（图6），可供科研工作者在建立新系统或改进现有系统时遵循。
首先，科研工作者应明确定义可复制的培养条件。如果可能，在类器官培养中使用重组生长因子或小分子会比条件培养基更好。然后，科研工作者应努力证明可疑的来源细胞。在动物系统中，如小鼠，这可以通过谱系追踪来完成，但对于人类系统，可以采用另一种方法，如荧光激活细胞分选。当由于缺乏用于分类细胞的明确标记而无法实现这一点时，应清楚地描绘起源组织。其次，在长期培养前后，应在形态学、基因表达和功能水平上对类器官系统进行表征。进行形态学分析时，应结合使用显微镜技术，如光学、共焦和电子显微镜。总之，这些成像模式不仅可以对类器官的整体结构进行详细分析，还可以对单个细胞及其组织结构进行详细分析（应将其与体外类器官类似的原代细胞/组织进行比较）。在进行这些分析时，类器官系统应以起源/兴趣的组织和细胞为基准，理想情况下，应与先前建立的系统进行比较。为此，构建一个包含HPB原代组织和相应类器官的单细胞数据的开源、高质量数据集将具有重大价值。对于人类系统，作者建议使用最近作为人类细胞图谱中的“生物网络”启动的Organoid Cell Atlas网站(https://hca-organoid.eu)。作者相信，所述指南将促进类器官系统的标准化和验证，优化以回答手头的研究问题。值得注意的是，尽管指南是以线性路线图的形式呈现的，但每个步骤的顺序由科研工作者自己决定（图6）。
图6.新型类器官系统建立指南。虚线框表示兼性步骤。
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结论
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随着类器官技术的不断进步，清晰描述这些复杂3D系统的能力也必须不断提高。为了促进科研工作者之间的有效科学交流，需要一致的命名法和精确的语言，以实现重现性和科学进步。在这里，作者通过寻求该领域专家的共识来协调HPB类器官领域，共同开发了一个直观的类器官分类系统和用于指代组织衍生上皮HPB类器官的命名法。此外，为了促进类器官的标准化和验证，作者提出了科研工作者在建立新型类器官系统时应遵循的准则。作者发现达成共识的过程是互动和动态的，可以促进科学交流和对HPB类器官的全面理解，并期待类似的过程可以统一和推进其他领域。
转自：“学术查”微信公众号
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