在本号前文《类器官是什么？》一文中我们知道，当代意义的类器官（organoid）是由干细胞或前体细胞在三维培养体系中依赖“自组织”能力形成的细胞团块，在结构与功能上能够一定程度上模拟体内器官的特征。由这个定义我们可以提炼出两个关键词，即：干细胞的自组织能力和三维培养，二者是当代类器官出现的前提条件，本文将对其进行逐一介绍。

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干细胞自组织能力指的是：在没有外部“蓝图”或逐步操控的前提下，同源或异质细胞群仅凭局部相互作用与内在规则，即可自发形成时空有序的结构与功能模式的能力。早在1907年，美国动物学家亨利·范·彼得斯·威尔逊（Henry Van Peters Wilson）将海绵组织完全解离为单细胞后，观察到它们可在体外再聚合并重新建成完整个体，揭示了海绵细胞强大的再生成与自组织能力。20世纪50年代初，美国发育生物学家菲利普·R·汤恩斯（Philip R. Townes）与德国裔发育生物学家约翰内斯·霍尔特弗雷特（Johannes Holtfreter）将两栖类胚胎发育时的三个主要胚层（外胚层、中胚层、内胚层）细胞分离并混合成悬液，彻底打乱原本有序的空间布局，然后在适宜条件下培养，结果发现这些被打散的细胞会自发地按原始胚胎中的空间关系重新排列：外胚层在最外层，中胚层在中间，内胚层聚集于内部，形成近似“原位”的分层结构；这一经典实验不仅揭示了细胞间存在特异性识别与黏附机制，还为后续器官形态发生研究奠定了基础，并成为美国发育生物学家马尔科姆·斯坦伯格（Malcolm Steinberg）于20世纪60年代提出“差异黏附假说”（Differential Adhesion Hypothesis）的重要实验证据。该假说解释了不同类型细胞在被打乱后混合仍能自发重组为特定空间结构的现象，其核心观点是不同细胞表面的黏附分子（主要是钙黏蛋白）类型与密度不同，导致细胞间黏附力存在差异，黏附力强的细胞群趋向位于内部，黏附力弱的细胞群则位于外部，可类比不同“表面张力”的液滴通过最小化界面能实现排序与包覆。该假说为形态发生中细胞自组织的物理—分子机制提供了清晰解释，并影响了组织工程、再生医学、胚胎学等领域的理论和实验设计。不过，当时对“如何在体外长期维持干细胞且避免随意分化”的认识仍不充分。随后，研究者逐步明确了维持多能性的关键：如在小鼠胚胎干细胞中，LIF/STAT3联合“两种小分子抑制剂（2i）”可将细胞稳定在“基态”，既能长期自我更新又保持多能性。随后，一系列实验直接证明体外培养的干细胞也具备“自组织”能力：在合适的三维环境中，胚胎干细胞可自发排布出有“里外之分”的大脑皮质样组织，（好比在培养皿里自己搭“楼层与朝向”）；单个肠道Lgr5⁺干细胞能长成带隐窝—绒毛结构的“迷你肠”，显示其具有可协调形成复杂器官形态的能力；人源多能干细胞则可在体外被培育成大脑类器官，并出现多个相互依赖的脑区样结构。

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我们知道，哺乳动物中，除了血液细胞外，其它组织器官内的细胞都不是漂在“汤”里的孤岛，它们贴着一张柔软却有弹性的“床垫”——细胞外基质（ECM）。细胞用表面的“抓手”（整合素）扣住这张床垫，力和化学信号顺着“抓手—细胞骨架—细胞核”的通道一路传到基因层面。二维细胞培养体系早已建立，但实现细胞的三维培养还需新的突破，这一突破来自材料学。20世纪80年代，美国细胞生物学家欣达·K·克莱因曼（Hynda K. Kleinman）从小鼠恩格尔布雷特–霍尔姆–斯沃姆（Engelbreth–Holm–Swarm，EHS）肿瘤中提取到富含层黏连蛋白、IV型胶原、硫酸乙酰肝素蛋白聚糖等的基底膜提取物，商品名Matrigel。这种凝胶样物质能在37 °C凝固，并可为上皮/内皮等细胞提供接近体内的细胞外基质微环境，促使培养细胞的极性建立、分化与腺泡样结构形成。这一工作为体外三维培养奠定了基础。

其后，在理论层面上也取得了突破。米娜·J·比塞尔（Mina J. Bissell）提出“动态互作/结构即信息”模型，并基于Matrigel构建三维基底膜体系，系统证明了ECM的成分与力可通过“整合素—细胞骨架—细胞核”通道被细胞读懂并写入基因表达程序，从而实现形态与功能的可逆耦合。例如，乳腺癌细胞在3D基质中会极性丢失、腔被填满并持续增殖，但如果用β1-整合素阻断抗体切断它们与基质的“抓握/信号”，这些肿瘤细胞可恢复到接近正常的极化腺泡样结构，伴随生长抑制、细胞骨架与细胞连接重建、并重新沉积于基底膜——这一过程被称为恶性表型的“回归/反转”。这提示，只要把胚胎或成体干/祖细胞置于类ECM的凝胶并给予恰当信号，细胞群就会按内在程序自组织，建立极性与腔隙、分区分层，进而形成更接近体内结构与功能的类器官。

把类器官看作一座“微型建筑”：3D基质（如Matrigel）就是会“呼吸”的砖与砂浆；而对细胞自组织规律的把握，则是施工图和工序表。两者兼备，细胞才能在培养皿里既长期“安家”，又按图施工，最终长成可用于疾病研究和药物筛选的微缩器官。

显然，类器官并非新生事物。早在上世纪，基于对干细胞自组织能力的认识并引入Matrigel，就已奠定其培养范式的雏形。其近年迅速升温：一方面受欧美等国药物研发监管取向的变化与国内高分导向的评价体系、期刊对“吸睛”选题的偏好叠加放大；另一方面则源于以啮齿类为主的动物实验临床转化效率偏低、成本持续攀升的现实倒逼。多重因素同频共振，推动类器官由一项“方法学”跃升为兼具“平台”与“前沿”的研究生态。

【本文得到了 “中国科学院战略生物资源专项实验动物平台项目” 的支持。】