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類器官的起源可以追溯到1907年,當(dāng)時(shí)美國(guó)貝克羅萊那大學(xué)教授威爾遜 (H. V. Wilson) 發(fā)現(xiàn)通過機(jī)械分離的海綿 (sponge) 細(xì)胞可以重新聚集并自組織成為新的具有正常功能的海綿有機(jī)體,他的研究結(jié)果于1910年發(fā)表3。海綿是生活在水中的多細(xì)胞動(dòng)物,它們的細(xì)胞之間沒有緊密的連接,因此可以自由地分離和重組。威爾遜的實(shí)驗(yàn)揭示了細(xì)胞自組織的現(xiàn)象,為后來(lái)的類器官研究奠定了基礎(chǔ)。
類器官的發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)階段,從最初的細(xì)胞聚集體,到具有一定結(jié)構(gòu)的細(xì)胞團(tuán),再到具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能的類器官4。其中,一個(gè)重要的里程碑是2009年,荷蘭胡伯雷赫特大學(xué)的漢斯·克萊沃斯 (Hans Clevers) 教授和他的團(tuán)隊(duì)成功地從小鼠的腸道干細(xì)胞培養(yǎng)出了腸道類器官,也被稱為“小腸" (mini-gut) 5。這是第一個(gè)具有完整結(jié)構(gòu)和功能的類器官,它可以模擬小鼠的腸道的形態(tài)和生理。克萊沃斯教授的研究開啟了類器官的新時(shí)代,為后來(lái)的各種類器官的培養(yǎng)提供了范例和方法。
隨著類器官技術(shù)的不斷進(jìn)步,目前已經(jīng)成功地培養(yǎng)出了多種類器官,包括肝臟、腎臟、胰腺、胃、肺、心臟、腦、眼、耳等。這些類器官不僅可以模擬正常的器官,還可以模擬疾病的器官,例如,癌癥類器官、遺傳病類器官、感染類器官等。這些類器官可以從不同來(lái)源的細(xì)胞培養(yǎng)而來(lái),例如,胚胎干細(xì)胞、成體干細(xì)胞、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞等。這些類器官可以在不同的體外微環(huán)境中培養(yǎng),例如,凝膠、微流控芯片、生物反應(yīng)器等。這些類器官可以在不同的尺度上培養(yǎng),例如,微米級(jí)、毫米級(jí)、厘米級(jí)等。
類器官的應(yīng)用和前景
類器官作為一種新型的生物技術(shù),具有很多的應(yīng)用和前景,主要包括以下幾個(gè)方面:
器官發(fā)育和生物學(xué)研究。類器官可以模擬器官的發(fā)育過程,揭示器官的形成和分化的機(jī)制,為理解器官的生物學(xué)提供了新的視角和平臺(tái)。例如,通過類器官,可以研究器官的形態(tài)建成、細(xì)胞極性、細(xì)胞分化、細(xì)胞命運(yùn)、細(xì)胞信號(hào)、基因調(diào)控等方面的問題。
疾病模型和藥物篩選。類器官可以模擬疾病的器官,為疾病的發(fā)生和發(fā)展的機(jī)制提供了新的線索和證據(jù),為疾病的診斷和治療提供了新的方法和手段。例如,通過類器官,可以研究癌癥的發(fā)生和轉(zhuǎn)移、遺傳病的表現(xiàn)和變異、感染病的侵入和清除等方面的問題。類器官還可以作為一種新型的藥物篩選和藥敏檢測(cè)的模型,為藥物的開發(fā)和評(píng)價(jià)提供了新的工具和標(biāo)準(zhǔn)。例如,通過類器官,可以測(cè)試藥物的效果和毒性、優(yōu)化藥物的劑量和方案、預(yù)測(cè)藥物的個(gè)體差異和副作用等方面的問題。
再生醫(yī)學(xué)。類器官可以模擬正常的器官,為器官的修復(fù)和再生提供了新的思路和途徑,為器官的缺失和損傷提供了新的解決方案和希望。例如,通過類器官,可以培養(yǎng)出具有完整結(jié)構(gòu)和功能的器官,用于替代或輔助受損的器官,或者作為移植的供體,以解決器官的短缺和排斥等方面的問題。
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