类器官技术突破：为传染病研究开辟全新路径
传染病，无论是长期流行的地方病还是不可预测的新发疫情，始终是威胁全球公共卫生、经济和社会稳定的重大挑战。病原体种类的多样性——从病毒、细菌到真菌和寄生虫——以及它们复杂的宿主互作机制，使得疾病研究极其困难。长期以来，传染病研究主要依赖二维细胞培养和动物模型。然而，前者多采用永生化癌细胞系，存在染色体不稳定和先天免疫信号缺陷等问题，难以真实反映健康人体内的生理状态；而动物模型虽然不可或缺，却因物种差异无法完全复制人类特有的生理机制，其转化价值受限。因此，科学界迫切需要能够精确模拟人类生物学的新型实验平台。
在这一背景下，类器官平台应运而生，成为弥补传统模型缺陷的关键“新方法论”。近日，荷兰鹿特丹伊拉斯姆斯大学的医学中心Pan Qiuwei课题组在《Nature Reviews Bioengineering》发表题为“Organoids as platforms for infectious disease research”综述，系统探讨了人类类器官在传染病研究中的多元化应用。该综述指出，类器官——源自成体干细胞、胎儿干细胞或多能干细胞，由多种分化细胞类型自组织形成的类组织结构——能够模拟人体各大生理系统（包括呼吸、消化、神经、心血管、皮肤、泌尿、生殖及淋巴系统）的器官特异性感染与疾病表现（图1，表1），重点以病毒病原体为对象。文章进一步强调了具有免疫能力和血管化功能的类器官在模拟复杂宿主-病原体相互作用中的重要性，并介绍了用于研究动态过程和器官间互作的“类器官-芯片”平台。此外，综述还勾勒了类器官技术在支持疫苗与药物研发、研究人畜共患传播以及助力大流行病防范方面的广阔前景。
呼吸系统：重现病毒感染的“微型战场”
在呼吸系统领域，类器官模型已展现出强大的模拟能力。研究人员利用源自多能干细胞和组织特异性成体干细胞，成功构建了包括鼻咽、支气管、肺泡及复杂肺类器官在内的多种模型。在气-液界面培养的气道类器官中（图1a），感染新冠病毒或中东呼吸综合征冠状病毒后，多纤毛细胞会出现纤毛脱落现象，这与此类患者支气管组织的病理变化高度一致。在肺泡类器官中，新冠病毒感染II型肺泡细胞会导致表面活性物质表达下降，也与人类尸检数据相符。而更为复杂的肺类器官同时包含近端和远端气道上皮，研究发现近端细胞对维持病毒复制至关重要，远端肺泡区域则能激发强烈的宿主免疫反应，再现了重症新冠患者体内的过度炎症状态。值得一提的是，针对难以在传统永生化细胞系中培养的人类鼻病毒C型，呼吸道类器官系统成功实现了其可重复且连续性的增殖培养，攻克了长期以来的技术瓶颈。
图1：利用类器官模拟病原体感染。 用于模拟类器官中病原体感染的实验流程因类器官类型和病原体而异。a，成体干细胞来源的气道类器官可用于模拟新冠病毒感染；此处，将原代人组织来源的气道类器官消化为单细胞，接种于包被细胞外基质的Transwell小室上。待细胞融合后，在分化培养基存在下于气-液界面进行培养，在2-4周内成熟为假复层化的重建气道上皮。然后将具有感染性的新冠病毒颗粒接种到气道类器官上。b，成体干细胞来源的胃类器官能够通过将细菌显微注射到胃类器官腔中来模拟幽门螺杆菌感染。或者，可以将胃类器官来源的细胞接种在包被的塑料表面上，形成基底侧朝向包被表面、顶端侧朝向孔腔的单层，这可以被幽门螺杆菌直接接触。c，胎儿肝细胞类器官可应用于模拟恶性疟原虫感染。分化的人肝细胞类器官（来源于胎儿肝脏）被机械解离成单细胞，并作为二维单层培养物铺板。然后用恶性疟原虫子孢子感染肝细胞。该系统支持裂殖体的发育和成熟，并可用于功能性扰动实验。d，从人诱导多能干细胞分化90-130天的囊性皮肤类器官可用于模拟猴痘病毒感染。气-液界面培养系统进一步支持皮肤类器官的成熟以模拟人体皮肤生理学。在分化第75-90天，将囊性皮肤类器官切成四块，在12孔板中表皮朝上放置在I型胶原包被的Transwell小室上，以建立气-液界面培养。将猴痘病毒接种到顶端上皮表面。e，巨噬细胞增强的类器官允许模拟戊型肝炎病毒感染。从成人肝组织培养的肝内胆管细胞类器官被机械碎片化，然后接种戊型肝炎病毒颗粒以启动感染。24小时后，将戊型肝炎病毒感染的类器官与巨噬细胞整合以建立巨噬细胞整合型类器官。f，类器官芯片允许模拟寨卡病毒感染。在微生物系统培养6天后，从Matrigel中提取人滋养层类器官。然后将类器官与寨卡病毒孵育2小时，重新包埋在Matrigel中，并重新加载到芯片的上层插入室中，然后与内皮层整合再培养6天。收集上清液和内皮层进行分析。
消化系统：从胃、肠到肝、胰的精准感染模拟
消化系统是病原体感染的重灾区，类器官技术在此同样取得了显著进展。在胃部研究中，使用幽门螺杆菌感染三维培养的胃类器官及其衍生的单层细胞后发现（图1b），腺体细胞的免疫反应（尤其是促炎性核因子κB通路）显著强于小窝细胞。研究发现，幽门螺杆菌更倾向于附着在分化的小窝细胞上，表明上皮分化状态可能决定了细菌的趋向性。此外，肠道类器官已成为研究宿主-病原体及宿主-微生物群互作的核心工具。最引人注目的是，长期以来无法在体外培养的人类诺如病毒，终于在人类小肠类器官中实现了高效感染。在胰腺研究方面，科学家利用患者来源的胰腺类器官，揭示了发热伴血小板减少综合征病毒的感染机制。而在肝脏研究中，源自胎儿肝脏的肝细胞类器官成功被用于模拟疟原虫感染（图1c），完整再现了疟原虫生命周期中的肝脏阶段，包括肝细胞入侵和肝内寄生虫成熟。
神经系统与心血管系统：探索嗜神经病毒与心肌炎机制
类器官在神经系统感染研究中的应用尤为瞩目。寨卡病毒、巨细胞病毒等可通过胎盘传播，严重影响胎儿神经发育。人脑类器官感染寨卡病毒后出现小头畸形样表型——体积减小、神经前体细胞成为主要攻击目标，为研究病毒导致的先天性疾病提供了有力工具（图1f）。单纯疱疹病毒1型感染脑类器官则揭示了神经上皮极性的破坏，并证实尽管抗病毒药物阿昔洛韦能终止病毒复制，却无法修复突触活动损伤；而联合抗炎治疗则可预防这些病理效应。在心血管系统方面，由多能干细胞分化而来的心脏类器官包含内皮细胞和心肌细胞，新冠病毒可直接感染这两种细胞，并诱导炎症细胞因子产生，进而释放血管分泌因子损害心肌收缩功能。重要的是，利用心脏类器官模型，研究人员发现靶向BET蛋白的抑制剂能够抑制炎症驱动的转录反应，且不增加病毒载量，为治疗病毒感染导致的心功能障碍提供了新策略。
皮肤与泌尿生殖系统：构建机体屏障与母婴界面模型
皮肤作为人体的第一道屏障，其类器官模型同样取得了重要突破。源自多能干细胞、包含毛囊皮脂腺单位的皮肤类器官，在气-液界面培养条件下可更真实地模拟人类皮肤生理（图1d）。该类器官已被用于猴痘病毒感染研究，发现角质形成细胞是病毒复制的关键细胞，感染导致屏障相关基因下调，并成功用于评估抗病毒候选药物的疗效。此外，金黄色葡萄球菌定植和感染可诱导皮肤屏障破坏和炎症细胞因子产生，而预先用痤疮角质杆菌处理则可产生保护作用。在泌尿系统，多能干细胞衍生的肾脏类器官可直接感染新冠病毒，并再现患者尸检样本中观察到的纤维化模式；猴痘病毒也可进入并在肾脏类器官中复制，显著改变与肾小管转运相关的基因表达。在生殖系统，源自子宫内膜、输卵管、宫颈和胎盘的类器官已用于研究沙眼衣原体、人乳头瘤病毒和寨卡病毒等病原体感染，其中胎盘滋养层类器官（图1f）为研究母胎界面病原体垂直传播提供了独特平台，揭示滋养层来源的因子可保护蜕膜细胞免受巨细胞病毒感染。
功能性类器官：免疫、血管与芯片技术的融合
尽管基础类器官模型已取得巨大成功，但传统类器官缺乏完整的免疫系统和血管网络，限制了其对复杂病理过程的模拟能力。为此，研究者正致力于开发功能化类器官。免疫活性类器官通过整合先天性和适应性免疫细胞（图2a），可重现病原体吞噬、炎症反应以及抗原特异性T细胞和B细胞活化等过程。例如，巨噬细胞增强的肝脏和肠道类器官已成功用于模拟戊型肝炎病毒、猴痘病毒及轮状病毒感染（图1e），再现了感染相关炎症和组织损伤的关键特征。血管化类器官则通过整合内皮网络（图2b），模拟内皮感染、屏障破坏、病原体播散和免疫细胞募集，为研究血管参与传染病过程提供了更接近生理的条件。与此同时，“类器官-芯片”系统将自组织的多细胞结构与微流控平台相结合（图2c），通过精确调控营养、氧气输送以及流体剪切力和周期性应变等力学信号，实现了对呼吸、肠道蠕动、心脏搏动和脑组织折叠等动态生理特征的模拟。此类多器官芯片平台还可连接多个腔室，构建“肠-肝轴”、“肝-肾轴”等模型，研究疾病在多器官间的传播与互作。
图2：功能化类器官。 a，免疫感受态类器官整合了先天性和适应性免疫组分，能够分析先天防御（如病原体吞噬和炎症反应）以及适应性免疫（包括抗原特异性T细胞和B细胞激活），最终允许评估组织损伤。b，血管化类器官整合内皮网络以模拟内皮感染、屏障破坏、病原体播散和免疫细胞募集，提高了研究传染性疾病中血管参与的生理相关性。c，类器官芯片系统将类器官与微流控平台整合，以重现动态和组织特异性生理特征，如肠道蠕动、心脏类器官的自发搏动和大脑类器官的折叠结构。这些系统允许使用来自不同组织的类器官进行组织嗜性评估和多器官分析。此外，通过在同一芯片上整合人和动物来源的类器官，可用于研究人畜共患感染和病毒适应性。d，类器官技术可以与基因编辑方法、人工智能以及单细胞或空间组学整合，以实现宿主-病原体相互作用的多尺度解析，包括病原体进入受体的鉴定、宿主响应图谱绘制、细胞嗜性和治疗结局预测。FACS，荧光激活细胞分选；iPS细胞，诱导多能干细胞；NK，自然杀伤细胞；PS细胞，多能干细胞。
疫苗与药物开发：从基础研究到临床转化
在疫苗开发方面，传统动物模型存在物种屏障、对某些人类特异性病原体不敏感以及伦理问题等局限（图3a）。而源自人类扁桃体、脾脏和淋巴结等组织的免疫类器官，能够再现流感疫苗诱导的抗原特异性B细胞扩增和抗体产生等适应性免疫关键特征（图3b），并可用于研究个体间对疫苗反应的差异，从而识别疫苗介导保护的新相关因素。在治疗药物开发上，人脑类器官已被用于筛选抗寨卡病毒候选药物；鼻黏膜类器官用于测试抗新冠病毒单克隆抗体；肠道类器官则助力发现抑制诺如病毒的药物（图3d、3e）。尤其值得关注的是，由于多能干细胞来源的类器官大规模生产存在技术挑战，原代类器官因其快速扩增能力而成为小规模药物筛选的理想平台——例如，人肝脏来源的类器官用于抗戊型肝炎病毒药物筛选，原代肠道类器官用于抗猴痘病毒药物筛选（图3f）。通过结合人工智能驱动的药物发现平台和高内涵筛选技术，类器官模型有望在未来实现大规模、高通量的药物研发（图3f、3g）。
图3：用于疫苗和治疗开发的类器官。 a，疫苗开发通常依赖动物模型，但面临物种屏障、对人类特异性病原体易感性低以及伦理问题的局限。b，人源淋巴类器官能够再现疫苗诱导免疫反应中的个体和个体间变异性，从而评估细胞因子分泌和中和抗体产生。c，免疫感受态类器官允许通过测量中和抗体活性、感染和病原体传播的抑制以及细胞毒性T细胞介导的杀伤来评估疫苗介导的保护效果。d，治疗开发通常依赖二维细胞培养和动物模型。e，使用多能干细胞来源的类器官进行的治疗发现和开发主要用于测试有限数量的候选药物。f，原代类器官允许快速扩增以进行小规模药物筛选。g，免疫感受态类器官模型也可用于筛选免疫调节剂。FACS，荧光激活细胞分选；iPS细胞，诱导多能干细胞；PS细胞，多能干细胞。
大流行病防范：研究人畜共患感染与病原体风险评估
大量新发传染病源于动物宿主。传统动物模型建立耗时、维护昂贵且存在伦理限制；更关键的是，如果病毒的自然宿主与模型动物亲缘关系较远，转化价值将大打折扣。类器官模型为这一困境提供了解决方案。研究人员已从五种食虫蝙蝠物种中建立了蝙蝠类器官平台，包含气道、肺泡、肾脏和肠道等关键上皮组织。利用该平台，科学家检验了新冠病毒、中东呼吸综合征冠状病毒、流感病毒和汉坦病毒等多种人畜共患病毒的复制动态，揭示了物种特异性和组织特异性的病毒易感模式。例如，新冠病毒能在一种菊头蝠的肠道类器官中复制，但在某些蝙蝠物种中则不能，提示宿主限制性受体表达或内在免疫屏障的存在。此外，通过将人类和动物来源的类器官整合在同一芯片上，类器官-芯片系统还可用于研究人畜共患感染和病毒适应性进化（图4），为病原体风险评估提供关键工具。类器官模型可帮助评估病原体的传播能力和毒力——在关键传播组织（如呼吸道病毒的鼻上皮）类器官中的复制能力与传播性相关，而在致病相关组织（如寨卡病毒的胎儿脑）类器官中的复制能力与毒力相关。当然，类器官模型的成熟度、细胞类型组成、受体表达和趋向性仍需标准化确认，以准确评估病原体的风险。
图4 | 用于研究人畜共患感染和加强大流行病防范的类器官。a，来自多种动物宿主的人畜共患 事件，凸显了能够跨越物种屏障的病原体的广泛范围。b，从啮齿动物、蝙蝠和猪等物种的关键器官中衍生的多物种、多器官类器官，为模拟物种特异性和组织特异性的宿主-病原体相互作用提供了生理相关的平台。c，此类类器官系统可支持新兴病原体的分离和增殖、病原体趋向性评估、单细胞基因组分析以及抗感染化合物的筛选，用于新兴人畜共患威胁的早期特征鉴定。
展望与未来方向
展望未来，类器官技术需要在多个关键方向上持续发力。首先，应正视类器官技术的优势与局限——它不应被视为细胞系或动物模型的“互斥替代品”，而应作为与之整合的互补系统（Box 1）。其次，应用范围应扩展至非病毒病原体，例如利用肠道和气道类器官研究抗生素耐药菌与人体组织的相互作用，利用皮肤类器官研究耐药真菌感染。第三，需通过引入更多样化的细胞类型和宿主微生物群，以及设计更复杂的类器官-芯片平台，进一步提高类器官的复杂性和生理相关性，以模拟完整的病理特征和疾病表现。第四，应优化和标准化类器官的扩增与分化方案，提高可重复性、可扩展性和转化相关性，并通过与参考人类组织数据进行分子、细胞和功能层面的比对验证来确立基准。最后，类器官技术与CRISPR-Cas9基因编辑、单细胞及空间组学、人工智能分析等前沿手段的深度融合（图2d），将加速创新并提高疾病建模、药物测试和病原体风险评估的精确度。尤为重要的是，需要通过多方利益相关者参与、增加国际合作资助、培训科学家、促进产学研监管机构战略合作以及倡导公平伦理等策略（Box 2），使类器官技术在全球范围内——尤其是中低收入国家——真正变得可及，从而全面释放其在推进传染病研究中的巨大潜力。
来源：BioMed科技
