类器官是细胞或离体组织在体外自组织形成的3D组织或器官类似物，可高度模拟器官的结构特征与生理功能。在离体培养中，经过几代后，类器官的结构、生理和遗传完整性可以在几个月的时间内稳定保持，是当前最为先进的器官体外模型之一。类器官技术与生物工程技术如微流控技术、生物材料支架和3D生物打印的结合提高了类器官在再生医学，疾病建模和药物测试等方面的应用。

近日，清华大学深圳国际研究生院的马少华副教授团队在Cell Press细胞出版社期刊Trends in Biotechnology发表了题为“Translational organoid technology – the convergence of chemical, mechanical, and computational biology”的综述。该论文全面系统地总结了类器官领域中有望加速临床转化的最新科研进展，详细归纳了类器官的传统与新兴的制造方法，并在总结了当前类器官技术的局限性与应用前景后，提出对化学、机械和计算生物学三者协同合作的洞见及对数字化类器官的展望。

机械生物学与计算生物学在类器官技术中的新兴作用

从早期的肠道类器官到近期的脑类器官的成功培育，精确的化学调控手段在其中发挥了显著的作用。然而，我们无法完整地模拟体内器官发育的微环境，导致类器官尚不能在时间与空间上全面地再现体内器官发育过程；高成本的严格体外化学调控也阻碍了类器官的临床转化和应用。

目前大多数研究仅采用化学调控，而没有重视其他方面的调控方法，直到近几年机械信号传导才逐渐受到关注。但在类器官建模中，物理和机械调控应与标准化的化学干预相结合(图1)，因为单一的调控信号无法反映完整的功能机制，不同类型的调控信号预期可以产生协同作用。并且，多维度和交叉尺度的信息获取与计算处理有助于阐明和调控发育环境中的信号与通路。

因此，为了解决类器官技术的可重复性和可控性等问题、提高通量和实现持续的生产，亟需生物学和生物化学领域以外的洞见与研究，尤其应重视机械与计算生物学领域的调控工具的作用，以加速类器官的临床转化与应用。

▲图1. 类器官的制造与调控信号，类器官的发育过程体现了化学、机械和计算生物学的融合.

转化类器官的制造方法总结

类器官根据其制造方法可分为工程化类器官与非工程化类器官。自2009年起研究发表的使用组织来源原代细胞(tissue-derived primary cells)、成体干细胞(adult stem cells)或多功能干细胞(pluripotent stem cells)培育的类器官，多属于非工程化类器官。其在空间分布和细胞类型上都存在异质性，可控性和可复制性较低，无法完整地再现细胞组分(cell profiles)和微环境，主要原因为缺乏精确、自动化的制备方法，且缺乏机械约束和体积约束(volumetric compression)。而工程化类器官的培养大多使用干细胞系，例如诱导性多能干细胞(iPSCs)和胚胎干细胞(ESCs)，干细胞的可再生性和良好分散性(reproducible, well-dispersed)使得其分化形成的类器官更可控。针对原代细胞的高效的类器官工程化制备方法仍是亟待解决的问题。

1.物理培养条件

根据菲克扩散定律，静态条件下在类器官外部提供均匀的化学刺激，其内部会形成径向对称梯度，因此类器官往往被限制在几百微米宽的范围内，超过即出现缺氧情况。研究人员或将较大类器官切半，或在富含氧气的气液界面中培养，或利用界面上的定向张力驱动间隙流动，以促进类器官内较大规模的运输。另外，由于在微观尺度下粘性力比惯性力更占主导作用，层流(laminar flow)能够使不同浓度的信号分子可控地传递到同一类器官的不同区域，因此常使用微流控技术以调控层流，或操纵微流控拓扑以诱导异质性的空间因子分布以达到分区诱导的目的。

2.化学培养条件

多功能干细胞衍生的类器官是在化学条约束的培养基中培养的。使用富含WNT通路放大器(WNT pathway amplifiers)的无血清培养法能够减少可变性，保证化学培养配方的一致性，但其生产和净化成本较高；使用传统的血清培养基法能够提高类器官生长效率,但由于体外细胞所处微环境的简化(如缺少比拟体内发育的空间、生物力学和细胞间及细胞-支架间互作条件)，易增加类器官生长的不可控变性，且培养批次间的不一致降低了可重复性、增加额外的质量控制测试的负担。

近年来的研究探索了使用血清调节方法培养患者来源的肿瘤类器官(patient-derived tumor organoids)，缩短了培养时间，也增加了从母体肿瘤中分离出来的可用以构建类器官的细胞数量，使得肿瘤微环境得到改善，但仍亟需对类器官转化和最佳应用场景进行进一步的探索。无血清培养基和含血清培养基在类器官转化应用的前景仍不明晰，需要更多相关研究在综合考量类器官建模效果及转化成本的情况下予以讨论与确认。

3.机械培养条件

细胞外基质的设计对于类器官建模也至关重要。在组织工程学背景下，存在着大量关于细胞外基质弹性模量与建模效果关系的讨论，然而目前尚无针对不同类器官的最佳基质弹性模量推荐。与此同时，由于天然基质胶的致瘤性，人工合成的细胞外基质显得格外必要。人工合成的基质需要综合考虑弹性模量、粘弹性、细胞结合位点、成本及规模化等众多因素，仍需大量探索。

4.信息获取与处理

类器官的开发也依赖于图像处理等计算工具，多模态的数据获取方法和评价算法是计算生物学和类器官医学应用的基础。然而，可用于类器官培养的患者样本量有限，导致数据密集型的工作存在困难和争议(图2)。作者提出增加数据采集质量和数量，运用传统和机器学习相结合的算法减少算法训练对数据量的依赖，从而克服该困境。