類器官（Organoids）指利用成體干細(xì)胞或多能干細(xì)胞進(jìn)行體外三維（3D）培養(yǎng)而形成的具有一定空間結(jié)構(gòu)的組織類似物。盡管類器官并不是真正意義上的人體器官，但能在結(jié)構(gòu)和功能上模擬真實器官，能夠最大程度地模擬體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)及功能并能夠長期穩(wěn)定傳代培養(yǎng)。

類器官的特性具體包含多種細(xì)胞類型、一定的空間組織方式以及與在體發(fā)育類似^[1]，研究人員可以通過類器官來模擬人類發(fā)育和疾病。來源于人類干細(xì)胞或成年細(xì)胞產(chǎn)生的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞生長而來的類器官，它們的成分和結(jié)構(gòu)也與原發(fā)組織相似，并且易于操作和冷凍保存。利用活檢技術(shù)就可以培養(yǎng)與病人具有遺傳相似性的類器官模型，同時意味著可以利用源自患者干細(xì)胞的類器官系統(tǒng)來進(jìn)行個性化藥物功效測試，為患者提供更加精準(zhǔn)的治療方法。

類器官技術(shù)改進(jìn)成的芯片類器官，通過對正常和疾病狀態(tài)下的不同器官進(jìn)行建模后的藥物測試，漸漸被廣泛使用^[2]?？蒲泄ぷ髡呖梢允褂闷鞴傩酒M體內(nèi)狀態(tài)的體外實驗，分析藥物對細(xì)胞/組織的影響，從而有可能解決動物實驗周期長、成本高、與人體細(xì)胞同源性差等問題。目前，器官芯片逐漸成為疾病機(jī)制研究和新藥開發(fā)的新工具之一。

類器官技術(shù)在個性化醫(yī)療中的應(yīng)用

類器官是在細(xì)胞和分子水平上對人體組織和器官進(jìn)行建模的強(qiáng)大工具，可用于藥物發(fā)現(xiàn)、開發(fā)和測試，這種可預(yù)測的模型可以捕捉到一個人疾病的特定特征和個體對藥物的反應(yīng)（包括副作用），有助于設(shè)計個性化的治療策略，也可以篩選多種活性藥物和小分子化合物以靶向候選的信號通路等，類器官還可以為再生和移植提供廣泛的組織來源^[3]。

圖1. 類器官技術(shù)在個性化醫(yī)療中的潛在治療和診斷用途^[3]

人體芯片與多器官芯片系統(tǒng)在個性化藥物治療中的應(yīng)用

器官芯片技術(shù)具有相對更高的可重復(fù)性和更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，能夠改善來源于單個類器官的局限性，以及需要多種類器官相互作用條件下的整體性研究。例如基因組編輯技術(shù)目前可用于創(chuàng)建個體病變組織芯片，或?qū)⒏杉?xì)胞技術(shù)整合到器官芯片系統(tǒng)中，在誘導(dǎo)特定細(xì)胞分化后將患者的細(xì)胞植入人體芯片中，以開發(fā)個性化模型來評估特定個體疾病的藥物療效、副作用或毒性。未來多器官芯片實驗平臺，將有助于探索個體特異性的藥代動力學(xué)過程和生物標(biāo)志物，進(jìn)一步開發(fā)有針對性的個體化藥物治療方案，降低藥物不良反應(yīng)的發(fā)生^[4]。

圖2. 人體芯片與多器官芯片系統(tǒng)^[4]

展望未來

目前類器官和器官芯片技術(shù)逐漸在器官發(fā)育、精準(zhǔn)醫(yī)療、再生醫(yī)學(xué)、藥物篩選、基因編輯、疾病建模等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，有望為醫(yī)學(xué)研究和藥物開發(fā)帶來革命性的變革，為人類健康和醫(yī)療領(lǐng)域帶來巨大潛力。

在丹納赫，我們匯集科學(xué)、技術(shù)和運營的能力，讓未來科技對今日生活的影響得以加速實現(xiàn)。丹納赫生命科學(xué)可提供類器官研究的豐富解決方案，多種先進(jìn)和創(chuàng)新設(shè)備助力類器官和類器官芯片的研究和開發(fā)。

自動化工作站Biomek i7聯(lián)合開發(fā)實現(xiàn)器官芯片檢測的自動化工作流

丹納赫生命科學(xué)旗下貝克曼庫爾特生命科學(xué)自動化團(tuán)隊為解決與3D細(xì)胞培養(yǎng)相關(guān)的挑戰(zhàn)，聯(lián)合MIMETAS和美谷分子儀器開發(fā)了器官芯片檢測的自動化方法。貝克曼庫爾特生命科學(xué)的Biomek i7自動化工作站用于轉(zhuǎn)移細(xì)胞外基質(zhì)膠和接種內(nèi)皮細(xì)胞，配備震蕩功能的自動化兼容培養(yǎng)箱可實現(xiàn)微流體通道的連續(xù)灌注，并可以在自動化軟件中編寫設(shè)置培養(yǎng)基更換程序。對于類器官培養(yǎng)終點的測定讀數(shù)，可使用丹納赫生命科學(xué)旗下美谷分子儀器的高內(nèi)涵成像分析系統(tǒng)對3D血管生成芽進(jìn)行定量。

?傾斜模塊幫助換液，震蕩模塊進(jìn)行震蕩混勻，溫控模塊實現(xiàn)試劑以及反應(yīng)的溫度控制；

?在線攝像頭隨時監(jiān)控實驗進(jìn)程，在線培養(yǎng)箱可以進(jìn)行在線培養(yǎng)并定時換液；

?整合離心機(jī)后實現(xiàn)自動離心，可匹配后續(xù)核酸提取和二代測序DNA/RNA建庫流程。

貝克曼庫爾特生命科學(xué)的Biomek i7自動化工作站

ImageXpress Confocal HT.ai智能化共聚焦高內(nèi)涵成像分析系統(tǒng)幫助發(fā)現(xiàn)重大突破

丹納赫生命科學(xué)旗下美谷分子儀器的ImageXpress Confocal HT.ai智能化共聚焦高內(nèi)涵成像分析系統(tǒng)在類器官研究、腫瘤學(xué)、免疫學(xué)、腦科學(xué)、藥物開發(fā)等多個生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。其為類器官和細(xì)胞培養(yǎng)等生物樣本提供高通量成像：此系統(tǒng)配備了7色高強(qiáng)度激光光源和8個成像通道，提供了高擴(kuò)展性和多通道成像分析能力。它采用先進(jìn)的水鏡系統(tǒng)以提高圖像分辨率并減少像差，特別適合深入觀察厚樣品。此外，系統(tǒng)集成MetaXpress^®軟件和IN Carta^?軟件，兩個軟件均結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的分析功能和直觀的用戶界面，簡化高級表型分類和3D圖像分析工作流程。

美谷分子儀器的ImageXpress Confocal HT.ai智能化

共聚焦高內(nèi)涵成像分析系統(tǒng)

Aivia AI圖像分析軟件實現(xiàn)自動化和高精度的智能圖像處理

丹納赫生命科學(xué)旗下徠卡顯微系統(tǒng)使用先進(jìn)的AI工具為數(shù)據(jù)量身打造增強(qiáng)、分割和預(yù)測工具，實時展示數(shù)萬億個體素和數(shù)千個對象，助力精確探索細(xì)胞和組織結(jié)構(gòu)。使用智能追蹤工具可進(jìn)行快速神經(jīng)元重建，并可定制專屬圖像分析工作流程，以實現(xiàn)高效批量圖像分析。

?提供多種機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)工具以及訓(xùn)練模型，解放手工操作；

?構(gòu)建二維至五維圖像可視化、分析與數(shù)據(jù)詮釋的完整平臺；

?可靠地處理和重建高度復(fù)雜的圖像，批量完成自動分析處理；

?空間分析功能，利用聚類、熱圖、降維工具等揭示細(xì)胞間的隱藏關(guān)聯(lián)。

徠卡顯微系統(tǒng)的Aivia AI圖像分析軟件

參考文獻(xiàn)

1. Claudia Corro, Laura Novellasdemunt, Vivian S.W.Li. A brief history of organoids. Am J Physiol Cell Physiol. 2020, 319: C151.

2. Duzagac F, Saorin G, Memeo L, etal. Microfluidic Organoids-on-a-Chip: Quantum Leap in Cancer Research. Cancers. 2021, 13: 737.

3. Fatehullah, A., Tan, S., Barker, N. Organoids as an in vitro model of human development and disease. Nat Cell Biol 2016, 18: 246.

4. Tian T, Liu J, Zhu H. Organ Chips and Visualization of Biological Systems. Adv Exp Med Biol. 2023, 1199: 155.

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