在本號前文《類器官是什（shí）麽？》一文中我們知道，當代意義的（de）類器官（organoid）是由幹細胞或前體細（xì）胞在三（sān）維培養體係中依賴“自組織”能力形成的細胞團塊，在結（jié）構與功能上能夠一定程度上（shàng）模擬（nǐ）體內器官的特征。由這個定義我們可以提煉出兩個關鍵詞，即：幹細胞的自（zì）組織能力和三維培養，二者是當（dāng）代類（lèi）器官出現的前提條件，本文（wén）將對其（qí）進行逐一介紹。

01

幹細胞自組織能力指的是：在沒有外部“藍圖”或逐步操控的前（qián）提（tí）下，同源（yuán）或異質細胞群僅憑局（jú）部相（xiàng）互作用（yòng）與內在規則，即可自發形成時空有序的（de）結構與功能模式的能力。早在1907年，美國動物學家亨利·範·彼得斯·威爾遜（Henry Van Peters Wilson）將（jiāng）海綿組織完全解離為單細胞後，觀察到（dào）它們可（kě）在體外再聚合（hé）並重新建成完整個體，揭示了海綿細胞強大的再生成與自組織能力。20世（shì）紀50年代初（chū），美國（guó）發育生物學家菲利普·R·湯恩斯（Philip R. Townes）與德國裔發育生物學家約（yuē）翰內（nèi）斯·霍爾特弗雷特（tè）（Johannes Holtfreter）將兩棲類胚胎發育時的三個主要胚層（外胚層、中胚層、內胚層）細胞分離並混合成懸液，徹底打亂原本有序的空間布局，然後（hòu）在適宜條件下培養，結果發現這些被打散（sàn）的細胞會自發地按原始胚胎中的空間關係（xì）重新排列：外胚層在最外層（céng），中胚層在中間，內胚層（céng）聚集於內部，形成近似“原位”的分層結構；這一經典實驗不僅揭示了細胞間存在（zài）特異性識別（bié）與（yǔ）黏附機製，還為後續器（qì）官形態發生研究奠定了基礎，並成為美國發育生物學家馬爾科姆·斯（sī）坦伯格（Malcolm Steinberg）於20世紀60年代提出“差異黏附假說”（Differential Adhesion Hypothesis）的重要（yào）實（shí）驗證據。該假說解釋了不同類型細胞在被打亂後混合仍（réng）能自發重（chóng）組為特定空間結構的現象，其核心觀點是不同細胞表麵（miàn）的黏（nián）附分子（主要是鈣黏蛋白）類型與密度不同，導致細胞間黏附力存在差異，黏附力強的細胞群趨向位於內（nèi）部，黏附力弱的細胞群則位於外部，可類比不同“表麵張力”的液滴通過最小化界麵能實現排（pái）序與包覆。該假說為形態發生中細胞自組織的（de）物理—分子機製提供（gòng）了清晰解釋，並影響（xiǎng）了組織工程（chéng）、再生醫學、胚胎學等領域的理論和實驗設計。不過，當時對“如何在（zài）體外長期維持幹細胞且避免隨意分化”的認識仍不（bú）充分（fèn）。隨後，研究者逐步明確了維持多能（néng）性的關鍵：如在小鼠胚胎幹細胞中，LIF/STAT3聯合（hé）“兩種小分子抑製劑（2i）”可將細胞穩定在“基（jī）態”，既能長期自（zì）我更新（xīn）又保持多能性。隨後，一係列實驗直（zhí）接證（zhèng）明體外培養的幹細胞也具備“自（zì）組織”能力：在合適的三維環境中（zhōng），胚胎幹細胞（bāo）可自（zì）發（fā）排布出有“裏外（wài）之分”的大腦皮質樣組織，（好比在培養皿裏自己搭“樓層與朝向”）；單個腸道Lgr5⁺幹（gàn）細胞能長成（chéng）帶隱窩—絨毛結構的“迷（mí）你腸”，顯示其具有可協調形成（chéng）複（fù）雜器官形態的能力；人源多能幹（gàn）細胞則可在（zài）體外被培（péi）育成大腦類器官，並出現多個相互（hù）依賴的腦區樣結構。

02

我們知道，哺乳動物中，除了血液細胞外，其它組織器（qì）官內的細胞都不是漂在“湯”裏的孤島，它們貼著一張柔軟卻有彈性的“床墊”——細胞外基質（ECM）。細胞用表（biǎo）麵的“抓手”（整合素）扣住這張床墊，力（lì）和化學信號順著“抓手—細胞骨架—細（xì）胞核”的通道一路傳（chuán）到基因層（céng）麵（miàn）。二維細胞培養體係早已建立，但實現（xiàn）細胞的三維培養還需新的突破，這一突破來自材料學。20世紀80年代，美國細胞生物學家欣達·K·克萊因曼（Hynda K. Kleinman）從（cóng）小鼠恩格爾布雷特–霍爾姆（mǔ）–斯沃姆（Engelbreth–Holm–Swarm，EHS）腫瘤中提取到富含層黏連（lián）蛋白、IV型膠原、硫（liú）酸乙酰肝素蛋白聚糖等的基底膜提取物，商品名Matrigel。這種凝膠樣物（wù）質能在37 °C凝（níng）固，並可為上皮/內皮等細胞提供接近體內的細胞外基質微環境，促使（shǐ）培養（yǎng）細（xì）胞的極性建立、分（fèn）化與腺泡樣結（jié）構形成。這一工作為體外三維培養奠定了基礎。

其後，在理論層麵上也（yě）取得了突破。米娜（nà）·J·比塞爾（Mina J. Bissell）提出“動態互作/結構即信息”模型，並基（jī）於（yú）Matrigel構建三維基底膜體係，係統證明了ECM的成分與力（lì）可通（tōng）過“整合素—細胞骨架—細胞核”通道被（bèi）細胞讀懂並寫入基因表達（dá）程序，從而實現形態與功能的可逆耦合。例如，乳（rǔ）腺癌細胞在3D基質中（zhōng）會極性丟失、腔被填滿並持續增殖，但如果用β1-整合素阻斷（duàn）抗體切斷它們（men）與基質的“抓握/信號”，這些腫瘤細（xì）胞可恢複到接近正常的極化腺泡樣（yàng）結構，伴隨生長抑製、細胞（bāo）骨架與（yǔ）細胞連接重建、並重新沉積於基底膜——這一過程被稱為惡性表型的“回歸/反轉”。這提示，隻要把胚胎（tāi）或成體（tǐ）幹/祖細胞置於類ECM的凝膠並給予恰當信號，細（xì）胞群就會按內在程序自組織，建立極性與腔隙、分區分層，進而形成更接近體內（nèi）結構與功能（néng）的類器官。

把類器官看作一座“微型建築（zhù）”：3D基質（如Matrigel）就（jiù）是會“呼吸”的磚與砂漿；而對細胞自組織規律的把握，則是施工圖和工序表。兩者兼備，細胞才能在培養皿裏既長期“安家”，又按圖施工，最終長（zhǎng）成可用（yòng）於疾病研究和藥物篩選的微縮器官。

顯然，類器官並非新生事（shì）物。早在上世紀，基於對幹細胞自組織能力的認識並引（yǐn）入Matrigel，就已（yǐ）奠定其培養範式的雛形。其近年（nián）迅（xùn）速升溫：一方（fāng）麵受歐美等國藥物研發監管（guǎn）取向的（de）變化與國內高分（fèn）導向的評價體係、期刊對“吸睛（jīng）”選題的偏好疊加放大；另一方麵則源（yuán）於以齧齒類為主的動物實驗臨床轉化效率偏低、成本持續攀升的現實倒逼（bī）。多重因素同頻共振，推動類器官（guān）由一項“方法學”躍升為兼具“平台（tái）”與“前（qián）沿”的研究生態。

【本文得到了 “中國科學院（yuàn）戰（zhàn）略生物資（zī）源專項實驗動物平台項目” 的支持。】