最新刊期
2024年第5卷第4期
器官芯片与类器官专辑
秦建华，李天晴
序
- 摘要：人胚胎早期发育包括三个重要阶段：①从受精卵到晚期囊胚的着床前阶段；②从晚期囊胚到原肠运动前的围着床阶段；③从原肠运动到早期器官发生的原肠后阶段。后两个阶段统称为着床后早期发育阶段。妊娠过程中，不育（胚胎着床失败或流产）和胎儿出生缺陷，很大程度上是胚胎的着床后早期发育出现异常所致。人着床后早期胚胎，由于位于母体子宫，且尺寸较小，不易对其观察和研究，因此，这一阶段的胚胎发育过程长期处于“黑匣子”状态。近年来，随着单细胞组学技术和胚胎体外延长培养系统的建立，以及胚胎和胚外干细胞、类器官和类胚胎领域的快速发展，使得人胚胎着床后早期发育的神秘面纱被慢慢揭开。本文从人胚胎早期发育、胚胎和胚外干细胞、类胚胎和类器官研究的视角，结合细胞通信、谱系互作、信号梯度、黏附分子、生物力学和细胞外基质等因素对细胞分选、迁移重排和自我组织的影响，概述了人胚胎早期发育过程中的发育原理，当前胚胎和胚外干细胞的研究进展以及用其模拟人胚胎早期发育的研究现状、存在问题和发展方向，以期能够帮助理解人胚胎早期发育的奥秘。关键词：人胚胎发育;着床;干细胞;类胚胎;类器官;自我组织;原肠运动;器官发生4|1|1更新时间：2025-03-19
- 摘要：人类早期胚胎发育阶段对于胎儿的健康出生至关重要。然而，由于伦理和技术的限制，人类早期胚胎发育的具体调控机制仍未完全解密。除了人类胚胎体外培养技术以外，以干细胞为基础模拟人类真实胚胎结构的体外模型被构建出来，被称为“类胚胎/胚胎模型”。通常人类胚胎模型可大致分为两类：非整合型和整合型胚胎模型。整合型胚胎模型通常包含胚内和胚外细胞类型并具有发育成完整胎儿的潜力，而非整合型胚胎模型则不包含任何相关的胚外组织。本文系统总结了人类体外非整合型和整合型胚胎模型的最新研究进展，探讨了有关国际干细胞研究的伦理政策，并简要阐述了人类胚胎模型潜在的应用前景和未来机遇。以期为研究人类早期胚胎发育过程中不同细胞谱系的特化轨迹，以及早期胚胎发育缺陷等重大疾病的临床药物筛选和再生医学提供新的研究思路。关键词：早期胚胎发育;非整合型胚胎模型;整合型胚胎模型;着床前;着床后;干细胞3|1|3更新时间：2025-03-19
- 摘要：近百年来，胚胎发育的理论基础主要源于对模式动物的研究，珍稀哺乳动物的发育研究一直受到种间差异、伦理及技术手段等条件的制约。随着干细胞技术的迅猛发展，研究者们利用干细胞构建体外胚胎模型突破传统发育研究的局限性。目前，胚胎模型是否能够完全模拟真实胚胎的发育过程尚待验证，但这无疑为发育生物学研究带来新的可能性。本文以小鼠和人为主要讨论模型，总结用于构建胚胎模型的干细胞种类，阐释不同干细胞在模拟发育过程中的作用和重要性。文章系统呈现了胚胎在不同发育阶段的关键事件和时空动态过程，全面阐述胚胎模型取得的显著成果，详细探讨如何评估胚胎模型的仿生度，以及生物工程学方法在胚胎模型开发中的关键作用，为胚胎模型的进一步优化和发展提供参考。通过对胚胎模型领域的深入研究，有助于更全面细致地了解胚胎发育过程，并为早期发育研究、疾病研究、药物筛选、生殖医学及毒性评估等领域提供更为精确的理论依据和应用工具，进而为未来生命科学的发展开辟新的途径。关键词：干细胞;胚胎模型;哺乳动物胚胎学;微环境;生物工程;高保真度;自组装1|1|2更新时间：2025-03-19
- 摘要：脑类器官是一种基于人多能干细胞的三维体外模型，能够模拟人脑的细胞异质性、结构和功能。再生医学是一个多学科交叉的领域，致力于应用工程学和生物学手段修复因年龄、疾病或外伤而受损的组织或器官。脑类器官技术作为再生医学领域的一种重要手段，具有广阔的应用前景和重要的科学意义。近年来，利用组织工程和诱导因子分化技术，研究人员成功构建出不同脑区的脑类器官模型，可用于模拟脑损伤或修复病变组织。本文将系统介绍包括大脑皮层、海马、纹状体、中脑、丘脑及下丘脑、小脑和视网膜在内的脑区特异类器官构建技术的最新进展，总结其在再生医学领域中的应用，并概括当前脑类器官应用面临的挑战，如异质性大、缺乏脉管系统和成熟度较低等。这将加深对人类大脑的理解，并增强脑类器官在基础研究和临床研究中的进一步应用。关键词：脑类器官;药物筛选;疾病模型;个体化医疗;再生医学3|1|2更新时间：2025-03-19
- 摘要：随着全球不孕不育问题的日益严重，特别是男性不育症的比例逐年上升，睾丸类器官的研究为这一领域提供了新的希望和策略。本综述全面探讨了睾丸类器官在模拟自然生精环境、深入探究精子发生机制以及应对男性生殖健康挑战中的应用。首先，介绍了睾丸的生理功能和精子发生过程的重要性，关注了睾丸组织体外培养和睾丸细胞重聚类器官的技术及其研究进展。其次，探讨了睾丸类器官在探究分子机制、药物筛选和毒性评估及男性生育力保存方面的潜在应用。最后，对当前方法的局限性和未来研究方向进行了讨论，特别是在提高体外环境下精子质量和成熟度方面的研究成果。尽管睾丸微环境复杂，在体外完整模拟人类精子发生仍面临挑战，但睾丸类器官领域的不断发展有望为临床生殖医学和男性健康研究提供新的解决方案。关键词：睾丸类器官;精子发生;生殖医学;睾丸微环境;应用1|1|1更新时间：2025-03-19
- 摘要：多能干细胞具备自我更新能力和多向分化潜能，其分化衍生的细胞及类器官在再生医学中具有巨大的应用潜力。但是干细胞临床转化仍然存在许多挑战。合成生物学“自上而下”的设计理念，结合基因编辑以及合成受体在内的强大工具库，能够赋予细胞新的功能，实现干细胞工程化改造。在此，本文总结了多能干细胞的临床应用和干细胞临床转化面临的主要挑战（干细胞分化衍生物的致瘤性、异质性、免疫原性），以及合成生物学在干细胞工程化改造中的应用（精确控制细胞命运、调控细胞通信、优化类器官结构功能、监测并清除致瘤细胞）。这些合成生物学工具为干细胞工程化改造提供了新的策略和平台，有望解决干细胞临床应用现存的诸多挑战，推动再生医学的进一步发展，实现“器官再生”这一核心目标。关键词：多能干细胞;类器官;合成生物学;细胞治疗;干细胞工程化改造3|1|1更新时间：2025-03-19
- 摘要：类器官由成体干细胞或多能干细胞在体外分化而来，可以在细胞类型、空间结构及生理功能上实现对体内组织器官的模拟。类器官的构建及技术完善，推动了发育生物学、遗传学、病理毒理学等发展。合成生物学是一门多学科交叉的新兴学科，以工程学思想为指导，旨在通过工程化、模块化的方法设计、改造、构建生物元件、系统、功能等。近年来类器官构建的优化方案体现了与合成生物学契合的研究理念，而合成生物学的发展及相关方法的产生也为类器官技术的发展起到了推动作用。本文将概述类器官和合成生物学的发展历程与面对的挑战，探讨类器官优化过程中合成生物学策略的体现与新兴的合成生物学工具对于类器官在时空命运调控、结构自组织及功能形成等方面的优化作用，简述基于类器官模型的研究对于合成生物学发展的促进作用。总的来说，本文旨在阐述合成生物学与类器官构建及优化之间相辅相成、互相促进的关系，并进一步探讨合成生物学与类器官在未来结合应用的潜力。关键词：细胞命运决定;CRISPR;类器官;器官芯片;合成生物学3|1|2更新时间：2025-03-19
- 摘要：肝脏具有复杂结构和多种功能，包括血糖调控、蛋白合成、解毒和药物代谢等，在维持人体正常生理活动中起着重要作用。传统的二维细胞培养和动物模型已被广泛用于肝脏生理或疾病研究，但它们在反映人体组织真实微环境和对药物反应等方面仍存在一定局限。因此，建立高仿真度肝脏体外模型对于肝病研究、药效与毒性评价至关重要。本文概述了传统肝脏体外模型在实现近生理复杂微环境模拟、肝组织特异性功能准确复现等方面的局限性，总结了以器官芯片为代表的新型肝脏体外模型的设计策略、技术特点及其在生物医学领域的研究进展。文中重点介绍了肝器官芯片仿生构筑和实现肝组织微环境模拟的关键要素，包括多细胞组分、肝窦/肝小叶结构、生化因子梯度和流体因素等，并对未来结合其他先进手段（如类器官、生物材料和基因编辑等）等，建立高度生理相关性的肝器官芯片和微生理系统的发展前景予以展望。关键词：肝脏;器官芯片;类器官;疾病研究;药物评价3|1|2更新时间：2025-03-19
- 摘要：胎盘是连接母体与胎儿的重要器官，在孕期发挥着物质交换、激素分泌、免疫调控和屏障防御等多种功能，对维持胎儿正常发育起着关键作用。胎盘功能障碍可能会导致多种妊娠并发症，如先兆子痫、胎儿生长受限和早产等，增加母胎发病率和死亡率。尽管传统的二维细胞培养和动物模型已被用于研究胎盘生理或病理，但仍存在一定局限。器官芯片是一种新型体外模型系统，它将工程学技术与生物学策略相结合，能够在体外模拟人体组织器官的关键结构和功能特点，在组织器官发育、疾病建模和药物评价等方面具有广泛的应用潜力。本文概述了目前胎盘芯片模型的构建及其在妊娠相关疾病、发育毒性评估和母胎界面药物转运等应用中的研究进展。依据人体胎盘发育过程和组织微环境特点，重点介绍了胎盘芯片模型的构筑原理和关键要素，如多细胞组分、胎盘屏障、氧张力、流体剪切力和细胞外基质微环境等，以及其他工程策略包括类器官、生物打印和水凝胶材料等，为实现仿生胎盘模型的体外构建提供了新的思路。此外，本文还讨论了现有胎盘模型在复杂性和功能成熟度等方面面临的局限和挑战，最后展望了未来发展先进的体外胎盘模型并推动其在生殖医学领域的应用前景。关键词：胎盘;干细胞;器官芯片;类器官;生殖医学3|1|2更新时间：2025-03-19
- 摘要：类器官血管化是完善类器官结构、功能及支持其体外长期存活的关键问题。近年来，随着类器官培养及生物工程技术的发展，类器官血管化有了长足的进步。本文综述了血管化类器官领域的最新进展，总结了目前用于血管化的构建策略与方法，包括干细胞共分化、多细胞共培养、微血管片段，移植后体内再血管化等生物技术，以及微制造、静电纺丝、三维生物打印、微流控技术等工程技术手段在血管化类器官方面的应用。血管化类器官的构建通常会辅以生物材料来负载血管化相关因子或提供不同类型细胞生长的微环境，本文对构建血管化类器官中应用的天然及合成生物材料也做了相应讨论。虽然类器官血管化目前还存在一定的局限性，但随着对血管化关键机制的解析及生物工程技术的进步，多种构建方法及生物材料的联合应用，将极大促进结构及功能完善的血管化类器官构建，并实质性地推动类器官技术在基础及临床医学领域的应用。关键词：干细胞;类器官;血管化;生物工程学方法;生物材料3|1|1更新时间：2025-03-19
- 摘要：骨骼肌作为人体最丰富的组织之一，是人体运动功能的主要承担者，并且在能量代谢、免疫调节和衰老过程中发挥重要作用。骨骼肌所处的微环境结构复杂，包括多种细胞类型、独特的三维结构以及力学特征。因此，建立高仿生的骨骼肌模型具有一定的挑战性。器官芯片可以精确地模拟人体组织的关键结构和功能特性，从而为骨骼肌模型的建立提供了一种新的途径。本文综述了目前骨骼肌芯片的构建及其在疾病建模、药物评价与再生医学等生物医学研究中的应用。依据人体骨骼肌组织微环境的特点，重点介绍了构建骨骼肌芯片的关键要素，包括动态培养环境、机械刺激、电刺激、血管化与神经化，以及其他工程策略包括各向异性支架的制备与两端锚定的策略等。目前的骨骼肌芯片在细胞来源及功能等方面仍存在一定的局限性。未来通过与基因编辑、生物传感等技术相结合，骨骼肌芯片有望在生物医学研究领域发挥更重要的作用。关键词：骨骼肌;器官芯片;疾病模型;药物评价;再生医学3|1|2更新时间：2025-03-19
- 摘要：类器官和类器官芯片技术是一种由干细胞或特定类型的细胞在体外培养而成的模拟真实器官功能和微环境的三维组织结构，帮助研究者更准确地研究生物过程、疾病机制，为体外疾病模型的建立、药物筛选和个性化医疗提供了新的可能性。然而，当前类器官模型的构建还存在无法全面、准确模拟体内生物过程的诸多问题。为应对这一挑战，本文将讨论利用基于工程化原理的整合设计策略，指导类器官与类器官芯片技术的进一步优化，并通过将器官发育和疾病发展中的生物要素与跨学科工程方法建立合理的系统性联系，实现类器官在时间维度和空间维度上高度模拟体内器官自组织过程、结构与形态构建、生物功能获取的目标。进一步，利用整合高维数据集的数字孪生类器官系统，实现对类器官与类器官芯片的大数据管理、分析、追踪，将有助于更准确地进行疾病分析、指导预测、提出提前干预方案，推动精准医疗向“治未病”时代的进步。关键词：工程化类器官;类器官芯片;整合设计策略;跨学科;数字化类器官9|1|2更新时间：2025-03-19
特约评述
- 摘要：类器官技术，通过利用干细胞在体外培养构建的三维（3D）微型器官模型，模拟人体器官的结构及功能，已在疾病建模、药物筛选等生物医药领域得到广泛应用。然而，该前沿领域的快速发展亦引发一系列伦理问题，这些问题的解决对于促进领域的规范化与合法化发展至关重要。本文首先解析类器官技术的发展历程，并探讨其特征与应用价值。当前，类器官技术正逐步向构建更复杂的器官系统、实现更高仿真度及与其他技术的深度融合方向发展。考虑到人源类器官的特殊性、复杂性及敏感性，重点深入探讨了伴随技术进展而出现的伦理挑战，包括捐赠者的知情同意、隐私保护、技术的可及性，以及在模拟敏感器官（如大脑和胚胎）时所涉及的道德地位问题。国际组织与主要发达国家已在类器官研究的伦理治理方面采取了多项措施，通过发布伦理指南或标准，从多个维度应对类器官领域的伦理问题。相比之下，我国在这一领域尚未出台相关的立法政策。最后，本文提出了从评估量表的设计原则、评估标准的制定、量化方法、实施与监管、持续评估与反馈等要素构建“道德评估量表”框架，并建议加强跨学科合作，完善知情同意流程，以及建立国际统一的伦理准则。此外，支持伦理研究和公共讨论也是确保类器官技术负责任发展的关键措施。通过深入探讨类器官技术带来的伦理挑战及其应对之策，旨在促进科技创新与伦理关切之间的平衡，推动类器官领域的负责任创新，以更好地服务于人类健康和福祉。关键词：类器官;伦理争议;知情同意;治理;负责任创新4|1|1更新时间：2025-03-19
研究论文
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