Nature系列综述：类器官之父解读类器官在药物研发中的机遇和挑战

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

类器官（Organoid）是从干细胞衍生出的三维（3D）结构，能够重现相应组织的关键结构和功能特征。与传统的二维（2D）细胞系相比，人类类器官能提供更贴近人体生理的实验模型。它们能够捕捉人体组织的复杂性和异质性，从而有助于研究疾病机制、药物疗效和毒性。当由患者来源的生成时，类器官还能用于评估个体对治疗药物的响应。

近日，“类器官之父”Hans Clevers教授、王代松博士等在 Nature 旗下综述期刊Nature Reviews Drug Discovery上发表了题为：Human organoids as 3D in vitro platforms for drug discovery: opportunities and challenges 的研究论文。

在这篇综述中，作者们探讨了类器官在药物发现中的应用，概述了当前的生成和维持类器官的方法，考察了它们在疾病建模、药物筛选和安全性评估方面的应用，并考虑了监管方面以及在药物发现中更广泛采用所面临的挑战。

在药物研发领域，体外模型发挥着关键作用，为研究细胞对药物的反应提供了明确的实验系统。人类细胞系由于相对简单、成本低且在各研究实验室中易于获取，一直是药物研发的主力。细胞系通常源自肿瘤，并已适应在二维塑料表面生长。然而，细胞系无法代表组织结构，也不包含个体器官中所有功能细胞类型。这促使人们探索更接近生理状态的三维培养系统，例如类器官（Organoid），它们能更精确地模拟体内微环境。与动物实验相比，类器官更具成本效益，能够进行高通量筛选（HTS），同时避免了动物实验中的物种差异和伦理问题。

在这篇综述中，作者们概述了类器官生成和维持的方法，并强调了其在疾病建模、治疗筛选以及药物药理学和毒理学评估方面的应用。还讨论了类器官在个性化医疗中的潜力，即可以从患者自身的细胞构建出类器官，从而实现个性化的药物测试。最后，作者们探讨了监管方面的考虑以及类器官平台要成为药物开发中成熟工具所必须解决的挑战。

多能干细胞和组织干细胞来源的人类类器官

人类类器官与传统临床前模型的比较

疾病建模中的不同类型的类器官

疾病建模和药物安全性评估中的先进类器官系统

自动化高通量药物筛选策略

在药物开发中使用类器官为临床前研究提供了向更准确、更贴近患者实际情况的模型迈进的巨大飞跃。类器官代表了一个能够重现人体组织复杂性的平台，相比传统的二维细胞培养和动物模型，它能提供更符合生理条件的环境。然而，尽管该领域已取得重要进展，但仍存在挑战。特别是在高通量筛选（HTS）的背景下，类器官培养的可扩展性和可重复性仍需进一步完善。这将需要持续开发和验证标准化、自动化的类器官平台，并建立清晰的监管框架以促进行业采用。此外，提高类器官对人类治疗反应的预测能力——尤其是在癌症、神经退行性疾病、慢性炎症和代谢疾病等复杂疾病方面——还需要在血管化、免疫系统整合和多器官建模方面进行创新，同时结合单细胞组学、高速图像采集和人工智能支持的数据分析等前沿分析技术。

随着技术的成熟，预计基于类器官的平台将成为药物研发流程中不可或缺的一部分，弥合基础科学与临床结果之间的差距。类器官可能会彻底改变我们理解和治疗疾病的方式，其在药物开发中的未来前景广阔。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41573-025-01317-y