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类器官模型及其特异性生物标志物：精准医学的体外验证新范式

精准医学的发展迫切需要能够真实反映人类生理和病理状态的体外模型。数十年来，研究者们一直致力于通过各种体外模型和动物模型来模拟人类疾病，但始终面临着难以逾越的瓶颈。传统二维细胞培养无法再现三维组织微环境，而动物模型存在显著的种属差异。正是在这一背景下，类器官技术应运而生。自2009年Hans Clevers等人首次从LGR5⁺肠道干细胞中建立三维上皮类器官以来^[1]，类器官研究进入了快速发展的轨道。类器官凭借其能够重现人体组织的复杂性和异质性，正在重塑生物医学研究的基本范式。

1、类器官模型概述

1.1 类器官的定义

类器官是一种在体外利用干细胞或组织细胞自组织形成的三维微型结构，能够高度模拟真实器官的细胞组成、空间结构及部分生理功能。这一技术突破了传统二维细胞培养无法再现组织复杂性以及动物模型存在种属差异的局限，为疾病发生机制研究、个性化药物筛选、毒性测试提供了更接近人体生理的模型平台，同时有望成为再生医学中替代受损器官的潜在移植物来源，从而极大地推动精准医疗和新药研发的进程。

1.2 类器官的细胞来源

类器官的细胞来源主要包括三类：一是多能干细胞，如胚胎干细胞（ESC）和诱导多能干细胞（iPSC），它们经定向分化可模拟多种器官发育；二是成体干细胞（ASC），直接从特定组织（如肠道、肝脏、乳腺等）中分离，利用其自我更新和分化能力形成相应组织的类器官；三是来自患者的肿瘤组织或活检样本，其中含有的癌干细胞或肿瘤细胞可构建肿瘤类器官，用于药物筛选和个体化治疗研究。

1.3 类器官的类型

按照器官类型划分，目前已经成功构建的类器官涵盖了几乎所有重要的人体器官系统，包括肝类器官、心脏类器官、脑类器官、胃肠道类器官、肺类器官以及各类肿瘤类器官等。这些三维培养系统在疾病建模、生物样本库、肿瘤起始与进展研究、药物检测、免疫疗法开发及再生医学方面展现出巨大潜力。

2、主要类型类器官的特异性验证生物标志物

细胞身份确证是类器官研究中最核心的科学问题之一。谱系特异性标志物的正确选择和应用，是验证类器官分化质量和评估其生理相关性的关键。在类器官中，细胞的分化状态并非静态的——多能干细胞来源类器官通常经历从干/祖细胞表型向成熟细胞表型的动态转变，而标志物表达的时序动态直接影响对类器官“成熟度”的判断。

2.1 脑类器官

脑类器官模型中，不同脑区的特化受到区域特异性转录因子和分泌因子的精准调控，并可通过独特的生物标志物进行识别。早期神经上皮祖细胞高表达转录因子SOX2，而放射状胶质细胞则特征性地表达PAX6；这些祖细胞进一步分化为中间前体细胞，其标志物为TBR2；随着神经元的成熟，早期神经元普遍表达TUBb3，成熟皮层神经元依据亚型差异，深层表达CTIP2和TBR1，浅层则表达SATB2；腹侧来源的中间神经元特异性表达NKX2.1；星形胶质细胞表达GFAP，少突胶质细胞前体表达OLIG2，成熟少突胶质细胞则表达MBP；此外，脉络丛细胞特异性表达TTR。

图1 人类大脑类器官能够重现大脑各区域的特征

（图片源于《Nature》^[2]）

2.2 肝类器官

肝类器官模型能够模拟肝脏发育过程，其中不同分化阶段的细胞具有特异性的生物标志物：肝祖细胞作为多能前体，高表达EpCAM、CK19和AFP，标志着其双向分化潜能；随着进一步分化，成熟肝细胞特异性表达ALB、HNF4α、CYP3A4，这些标志物共同反映了肝细胞的合成代谢和解毒功能；胆管细胞则通过表达SOX9、CK7、CK19来界定其身份。此外，非实质细胞也在高级类器官模型中被成功整合：肝星状细胞表达GFAP、DES，活化后则驱动纤维化过程；而库普弗细胞，作为肝脏常驻巨噬细胞，其特异性标志物包括CD68、VSIG4，在免疫监视和炎症反应中发挥关键作用。

图2 人类胚胎干细胞衍生的可扩展肝类器官

（图片源于《Cell Res》^[3]）

2.3 肾类器官

肾类器官模型在体外模拟人类肾脏发育过程中，能够自组织形成包含多种肾单位结构的复杂三维组织。足细胞作为肾小球滤过屏障的关键组分，其成熟标志物主要包括转录因子WT1以及结构蛋白NPHS1和PODXL；近端小管上皮细胞则通过LTL结合其细胞表面的糖基化受体而被特异性识别，CUBN也常作为近端小管的补充标志物；远端小管则表达ECAD；而PAX2作为早期肾系谱的关键转录因子，在发育早期的输尿管芽和间充质中均有表达，但在成熟类器官中其表达趋于局限。

图3 肾类器官在培养过程中随着时间的推移逐渐成熟

（图片源于《Nature》^[4]）

2.4 肠类器官

在肠类器官模型中，不同细胞类型的特异性生物标志物可用于精准追踪其发育分化过程。位于隐窝基底部的肠道干细胞以LGR5、OLFM4为标志性分子，维持着持续的自我更新能力；这些干细胞向分泌谱系分化时，可形成潘氏细胞，其特征性表达LYZ、DEFA5/6；另一类重要的分泌细胞是杯状细胞，主要通过大量合成并分泌黏蛋白MUC2而被识别，同时高表达TFF3，共同调控黏液屏障的形成；肠内分泌细胞则以CHGA和SYP为通用标志物。

图4 优化的人类肠道类器官显示出干性增强和细胞多样性的提升

（图片源于《Nat Commun》^[5]）

2.5 肺类器官

模型在体外模拟肺发育过程中可分化出多种特异性细胞类型，其标志物具有高度时空特异性：早期前体细胞表达SOX2（远端气道）和SOX9（多能祖细胞）；基底细胞特异性表达TP63和CK5；纤毛细胞高表达FOXJ1；杯状细胞标志物为MUC5AC；肺泡Ⅱ型上皮细胞（AT2）特异性表达SFTPC、ABCA3、LAMP3；肺泡Ⅰ型上皮细胞（AT1）则以HOPX、AQP5和PDPN为特征。

图5 肺芽类器官异种移植分化潜力

（图片源于《Nat Cell Biol》^[6]）

2.6 心脏类器官

心脏类器官模型在体外成功模拟了胚胎心脏发育的关键过程，能够自发形成具有空间分区的复杂结构。心室样区域的细胞高表达MYL2、IRX4；而心房样细胞则特异性表达MYL7、NR2F2；流出道区域富集TBX1；起搏细胞（窦房结样细胞）特征性表达HCN4和TBX3。在非心肌细胞谱系方面，心内皮细胞可通过CD31、CDH5等表面标志物进行鉴定，而心外膜样细胞则表达WT1。此外，源自心外膜的成纤维细胞标志物包括波形蛋白VIM、THY1。核心心肌标志物如TNNT2在类器官的心肌细胞中广泛表达。

图6 发育诱导通过自组织促进心脏类器官心房和心室的形成

（图片源于《Nat Commun》^[7]）

2.7 胃类器官

在胃类器官的发育分化过程中，不同细胞类型可通过特异性生物标志物进行精确识别：表达MUC5AC的表面黏液细胞构成了胃腔的保护性黏液屏障，而表达MUC6的腺体基底黏液细胞则定位于腺体底部；主细胞以PGC和GIF为特征标志，壁细胞则通过ATP4A/B离子通道蛋白被识别；表达GAST的G细胞和表达SST的D细胞代表了胃类器官中功能性的神经内分泌细胞谱系。此外，干细胞/祖细胞群体通常共表达LGR5和SOX2。

图7 诱导后不同时间胃类器官的荧光染色图像

（图片源于《Front Cell Infect Microbiol》^[8]）

2.8 肿瘤类器官

不同肿瘤类器官模型的特异性生物标志物精准反映了其对应原发肿瘤的组织起源、分子亚型及功能状态，构成了类器官身份验证与功能研究的核心基础。结直肠癌类器官通常高表达LGR5、OLFM4、Ki67和CDX2^[9]。乳腺癌类器官则依据其临床分子分型表现出ERa、PGR、HER2、Ki67、EGFR以及ECAD和CK19等不同标志物^[10]。肺腺癌类器官常表达TTF1和Napsin A，而肺鳞状细胞癌类器官则特征性地表达p40和CK5/6^[11]。胃癌类器官普遍表达CDX2、CK20、CK7以及CEA^[12]。肝癌类器官常见的特异性标志物包括AFP、GPC3、CK19以及EpCAM等^[13]。肾癌类器官模型中核心的标志物是PAX8和PAX2，几乎表达于所有肾细胞癌亚型；在此基础上，需结合CA9、CD10、ECAD和VIM等标志物进行鉴定^[14]。这些特异性的生物标志物谱不仅用于确认类器官模型的保真度和质量控制，更为深入理解肿瘤生物学、筛选靶向药物及预测个体化治疗反应提供了不可或缺的分子基础。

3、挑战与展望

当前类器官验证体系面临的核心挑战之一在于标准化不足。类器官标志物的选择常因实验室条件、培养方案和干细胞来源的差异而高度不一致，且不同细胞来源在标志物表达谱上存在本质差异——PSC来源类器官更接近胚胎发育状态，而ASC来源更接近成体稳态，二者在验证时需采用相应的生理参考系。从更长远的角度审视，类器官验证策略必须超越形态学和基础标志物检测的界限。多组分生物打印、器官芯片共培养以及多组学整合预测等前沿技术的融合，将在更精细的特异性验证和更可靠的生理模拟层面上，最终决定类器官能否真正从“结构模拟”迈向“功能替代”的关键一步。

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