接上周我们提到人体胚胎在体外培养时间延长，关于干细胞的后续研究将在本期揭晓。在东京庆应义塾大学医学院的实验室里，干细胞研究员佐藤敏郎（Toshiro Sato）将培养皿置于显微镜下。他看到的不是一层细胞，而是更复杂的东西——肉眼几乎看不到的脆弱的组织球体。这些是3D结构的类器官，当干细胞被给予适当的环境条件以分化并将其自身排列成与特定组织或器官相似的形态来发展。
类器官可以从多能干细胞中获得，这些干细胞有可能形成任何身体组织类型——无论是肌肉、皮肤、肠道还是大脑。当它们在适当的条件下生长时，例如有特定的生长因子，干细胞会以类似于体内的方式排列成不同的细胞类型。与之相反，器官芯片（OOCs）是将已经分化成所需细胞类型的干细胞和细胞排列在适合于计划实验的位置和结构上。英国剑桥大学分子生物学MRC实验室的发育生物学家Madeline Lancaster说，类器官和OOCs的区别在于“自我组织与建构”。
类器官越来越多地用于研究正常发育和疾病进展。例如，佐藤的小组用它们来研究肿瘤形成的早期阶段。他的团队使用CRISPR基因编辑技术改变干细胞中DNA的序列，然后看看它如何影响器官的发育。类器官和OOCs在评价药物、化学物质和化妆品的有效性和安全性方面也有潜力，并可能用于再生医学。例如，哈佛大学威斯生物工程研究所（Wyss Institute For biological inspire Engineering）创始主任Donald Ingber指出，随机临床试验的一个挑战是如何比较治疗的效果，因为参与者的遗传和生活史会影响他们的反应。来自患者细胞的OOCs和类器官可以通过创造具有相同遗传和临床历史的干预和对照群体来消除这些混杂效应。然而，这些技术也面临着挑战，比如如何扩大生产规模以满足日益增长的基础和应用研究需求，同时保持结构在体内器官的再现性和保真度。
研究人员用于制造类器官和OOCs的多能干细胞包括天然存在的胚胎干细胞（ES）和从成纤维细胞等分化细胞中衍生出来的细胞，通过操纵以恢复其多能性，称为诱导多能干细胞（iPS细胞）。Lancaster使用类器官来研究基本的大脑发育并找出导致自闭症和精神分裂症等复杂疾病的因素，她说使用ES细胞来开发和测试方案以及新模型。
用于研究遗传性疾病或用于个性化医疗的类器官通常由成人干细胞或iPS细胞制成，这些细胞经过处理后对患者具有特异性。荷兰乌特勒支的Hubrecht研究所的遗传学家Hans Clevers和他的小组使用来自肠道干细胞的类器官来预测囊性纤维化患者对各种药物的反应。囊性纤维化可由单个基因CFTR中的任何突变引起。治疗方法是存在的，但很昂贵，而且只适用于特定突变的患者。Clevers的小组现在正在测试来自大约600名患有囊性纤维化的荷兰人的类器官，而没有任何这些突变。理由是，如果药物导致人体的类器官在检测条件下肿胀，那么患者也可能会做出反应。
类器官也被证明在癌症研究和药物开发中有价值。国际人类癌症模型正在开发“下一代”类器官模型，其中某些DNA序列已被标注。当与临床数据相结合时，类器官使研究人员能够将他们的发现与患者的特征和结果联系起来。Clevers和他的同事使用来自18名患者的结肠直肠癌细胞的类器官来测试83种抗癌化合物。类器官中的耐药模式与已知的耐药突变相对应，表明类器官可用于预测某人对特定药物的反应。
Clevers说，来自ES细胞和iPS细胞的类器官是研究复杂发育过程的理想选择，但它们可能需要数周或数月才能生产出来。由成体干细胞制成的那些往往需要更少的时间。较短的过程也不太可能引入变异，因此这些类器官倾向于比来自ES或iPS细胞的那些更具可再现性。培养类器官的过程类似于标准的组织培养工作。研究人员说：新来的研究生可以在几周内轻松培养它们，用干细胞制作很容易，难点在于解释，很难确定哪些组织实际存在于所得的类器官中。
OOCs有时被称为微生理系统或组织芯片，它基于被称为微流控芯片的结构化微器件，细胞可以在培养基中维持。与由干细胞自发发育的类器官不同，OOC是被设计出来的。芯片的结构、细胞的类型和位置决定了组织的形成和排列。这意味着它们通常比类器官更稳定。OOCs也可以更复杂，因为开发人员可以添加工程元素，比如传感器、促进流体和气体交换的“血管系统”，以及促进成像的功能，这些功能在类器官中是不会自发产生的。OOC可以被设计成具有类器官通常无法匹配的复杂程度。例如，它们可以模拟生理特性，例如组织拉伸，脉动和蠕动。OOC也可以连接在一起，创建多器官“body-on-a-chip”模型。纽约伊萨卡康奈尔大学的迈克尔·舒勒和他的团队已经制作了一个单独的闭合OOCs系统，其中有14个腔室，代表具有屏障功能的器官，如在肺部看到的那些，以及类似的“非屏障”功能。
OOCs的开发人员现在正着眼于向工业和监管机构展示该技术的价值和有效性。扩大OOC的使用将需要制造友好的生产和高通量应用模式。连接OOC系统的一个挑战是找到适合所有组织类型的培养基和条件。例如，支持肝细胞的培养基并不总是适合肺细胞。实现准确的模型还需要调整细胞的数量和各种芯片的活动，以便它们准确地表示这些器官是如何在全尺寸人体中工作的。
随着类器官和OOC的广泛使用，研究人员开始研究更复杂的问题。Ingber的研究小组已经使用类似于其肺部的OOCs来制造肺部呼吸道，以测试香烟烟雾的影响。格里菲斯和其他人正在为他们的平台添加肠道微生物组，例如在连接肠道，肝脏和大脑以研究帕金森病的模型中。她说，随着成本的降低和可重复性的提高，OOCs可能会开始在实验来代替动物，因为它们被用作人类的替代品。如何用这些简约模型正确地代表生物系统。
