編者按
藥物發現中，體外模型發揮著關鍵作用。傳統的藥物發現主要依賴2D細胞培養和動物實驗，然而，2D細胞培養缺乏真實組織的復雜結構，而動物實驗則面臨物種差異大、成本高、耗時長及動物倫理爭議等問題。類器官技術，正在徹底改變疾病研究和藥物研發的方式，并有望大幅減少對動物實驗的依賴，并顯著提高藥物研發的成功率。
本期我們分享2025年11月12日，Hans Clevers研究團隊在《Nature Reviews Drug Discovery》（IF=101.8）上發表最新綜述，探討了類器官作為藥物發現的3D體外平臺的價值，系統梳理了類器官在疾病建模、藥物篩選和安全性評價中的應用，為未來技術發展與轉化指明了方向。
本研究系統闡述了類器官技術在藥物發現領域的應用現狀、潛力。類器官是由干細胞衍生的三維（3D）結構，能夠復現對應組織的關鍵結構和功能特征，為疾病建模、藥物篩選及安全性評估提供了比傳統2D細胞系和動物模型更具生理相關性的平臺。
01、研究亮點
指出類器官模型在再現組織復雜性與生理相關性方面的核心優勢，奠定了其革新藥物發現流程的潛力；
總結了類器官在遺傳病、感染、癌癥等疾病建模，以及高通量藥物篩選、毒性評價及精準治療中的廣泛應用場景；
強調了通過推動技術標準化、整合生物工程與人工智能策略，以加速類器官在藥物發現和精準醫療中的轉化應用。
圖1
02、疾病建模應用進展
目前，類器官已在遺傳性疾病、癌癥、傳染病等多種疾病建模領域中被廣泛應用——
一. 遺傳性疾病
類器官既可以由患者來源的樣本直接獲得(PDOS)，也可以通過基因編輯技術對健康個體的器官組織進行改造，因此，特別適用于模擬各類遺傳性疾病。
（1）囊性纖維化(CF)
囊性纖維化（Cystic Fibrosis，CF）是一種由于CFTR基因突變引起的遺傳性外分泌腺疾病，主要影響呼吸系統、消化系統和生殖系統。它是由于囊性纖維化跨膜傳導調節因子（CFTR）基因突變，導致蛋白質功能異?；蚵入x子通道功能障礙。目前，利用CF患者來源的肺或腸道類器官模型，在forskolin刺激下不膨脹，而正常類器官會膨脹，可用于評估Orkambi等CFTR調節劑療效，以及個性化藥物高通量篩選評估等。
（2）原發性纖毛運動障礙 (PCD)
原發性纖毛運動障礙（primary ciliary dyskinesia，PCD）是一種由于纖毛結構基因突變引起的罕見的、臨床高度異質性的遺傳病。利用患者來源的鼻腔上皮類器官模型，可以模擬纖毛擺動異常和結構改變，用于觀察纖毛功能、測試DNAH11修復等基因治療效果。
（3）肺泡蛋白沉積癥 (SFTPB缺陷)
肺泡蛋白沉積癥（pulmonary alveolar protein-osis，PAP），是一種發病機制復雜的罕見綜合征，由肺表面活性物質如磷脂和脂蛋白在肺泡腔積聚而引起換氣障礙，導致進行性呼吸功能不全。通過誘導多能干細胞（iPS細胞）來源的肺類器官，可以重現肺泡型2(AT2)細胞內異常板層體形成現象，用于研究疾病表型、驗證基因治療等。
（4）多囊腎病(PKD)
多囊腎?。╬olycystic kidney disease, PKD），是一種嚴重的遺傳疾病，其特征是雙腎多個微管節段或者腎小球囊進行性擴張，形成大量充滿液體的囊腫。利用PKD1/PKD2突變患者來源的腎類器官，可以重現囊腫形成與ADPKD基因特征，為藥物測試提供了具有臨床相關性的表型特征，可用于高通量篩選喹唑啉等抗囊腫藥物等。
圖2
肝臟類遺傳性疾病——
（5）α1-抗胰蛋白酶缺乏癥(AATD)
α1-抗胰蛋白酶缺乏癥（alpha 1-antitrypsin deficiency， AATD），是一種由SERPINA1基因突變導致的常染色體共顯性遺傳疾病，可引起慢性肝病及早發型慢性阻塞性肺?。–OPD）、肺氣腫。利用ATD患者來源的肝類器官，可以使A1AT蛋白聚集、蛋白質分泌減少、彈性蛋白酶抑制功能受損等，用于研究疾病機制、探索基因治療策略。
（6）Alagille綜合征 (JAG1突變)
Alagille綜合征（Alagille Syndrome, ALGS），是一種由JAG1或NOTCH2突變累及多系統的常染色體顯性遺傳病。利用患者來源的肝類器官，表現出延遲分化為導管細胞和管腔細胞凋亡增加，提示膽管樹異常。
（7）威爾遜氏病(ATP7B突變)
威爾遜氏病，也稱肝豆狀核變性，是一種由ATP7B基因純合變異或復合雜合變異導致的遺傳性銅代謝障礙性疾病。利用患者來源的膽管細胞類器官，對銅治療更敏感，這可用于研究銅代謝異常。
（8）膽道閉鎖
膽道閉鎖是一種以肝內和肝外膽管進行性炎癥和纖維性梗阻為特征，從而導致膽汁淤積、進行性肝纖維化、肝硬化的嚴重疾病。膽道閉鎖患者來源的肝臟類器官，表現出多液泡、增殖性降低、極性紊亂、CFTR蛋白水平低等異常形態，可用于模擬阻塞性膽管疾病、發現新的病理標志物等。
神經退行性遺傳疾病——
（9）帕金森病(PD)
帕金森病（PD）是全球第二大神經系統退行性疾病，主要病理表現為多巴胺（DA）能神經元進行性退變、路易小體的形成和紋狀體區DA遞質降低。遺傳因素在PD的發病過程中扮演著重要角色，目前已發現多個與PD相關的致病基因。因此，大多數研究集中于早期病理過程和DNAJC6、LRRK2、G2019S等特定基因突變。利用DNAJC6突變構建的腦類器官，表現出多巴胺能神經元發育受損、α-突觸核蛋白聚集、線粒體/溶酶體功能障礙等；LRRK2突變的腦類器官也可以重現α-突觸核蛋白聚集和清除障礙等，可用于揭示基因突變特異性機制、發現潛在靶點等。
（10）阿爾茨海默病 (AD)
阿爾茨海默病（AD），是全球范圍內導致癡呆癥的主要神經退行性疾病，表現為大腦內β-淀粉樣蛋白（Aβ）肽段的積聚、過度磷酸化Tau蛋白引發的細胞內神經原纖維纏結，進而導致認知功能障礙。利用APOE4突變的誘導多能干細胞（iPS細胞）來源的腦類器官，表現出AD病理增強，伴隨β淀粉樣蛋白（Aβ）沉積更多、過度磷酸化Tau蛋白升高、細胞凋亡、突觸完整性降低等；類器官共培養模型也進一步揭示了小膠質細胞APOE4在誘導神經炎癥中的作用，可用于研究APOE4風險因素、發現細胞類型特異性變化、驗證β/γ-分泌酶抑制劑等。
（11）額顳葉癡呆（FTD）
額顳葉癡呆（FTD），是一種以進行性精神行為異常、執行功能障礙、語言功能損害為主要特征的癡呆疾病。利用MAPT突變基因——R406W, V337M的iPS細胞構建的腦類器官可用于研究磷酸化Tau蛋白病理；也有研究利用C9ORF72重復擴增的iPS細胞構建腦類器官切片模型。研究發現，R406W突變導致tau錯位、軸突萎縮、線粒體運輸障礙、易被鈣蛋白酶切割；V337M突變導致早期病理，4個月后出現神經元丟失、tau積累、谷氨酸興奮性毒性等，這可能與自噬-溶酶體通路缺陷相關。C9ORF72模型表現為星形膠質細胞P62升高、深層神經元GA二肽重復蛋白積累、DNA損傷等，可被藥物GSK2606414等挽救。通過基因編輯篩選發現，KCNJ2抑制是潛在的治療靶點。
（12）脆性X綜合征 (FXS)
脆性X綜合征(fragile X syndrome, FXS)，是導致智力殘疾和孤獨癥譜系障礙的主要單基因遺傳病之一，由FMR1基因缺陷導致的一種X連鎖遺傳病。利用FXS患者構建前額葉類器官，其FMRP蛋白缺失，導致神經發生、神經元成熟和興奮性異常，可被PI3K通路抑制劑挽救，而mGluR5拮抗劑無效。轉錄組分析進一步揭示了FMRP的mRNA靶點CDH2等，為FXS的治療開發提供了潛在的藥物靶點。
二、代謝性疾病
（1）代謝功能障礙相關性脂肪性肝炎 (MASH)
代謝性疾病代謝功能障礙相關脂肪性肝病（MASLD）及其嚴重亞型代謝功能障礙相關脂肪性肝炎（MASH）已成為全球流行病，影響全球約三分之一的成年人口，發病年齡逐漸年輕化。利用患者來源或代謝物誘導的肝類器官，可以重現促炎通路激活、腫瘤標志物上調、脂質積累和凋亡敏感性等，用于研究二甲雙胍、左旋肉堿等藥物效果，評估沃曼?。↙AL缺陷）患者的肝類器官對FGF19治療的反應，篩選索拉非尼等化合物，構建多細胞（庫普弗細胞、肝星狀細胞）肝類器官來研究炎癥-纖維化互作等。
（2）其他代謝性疾病
類器官不僅成功模擬了代謝性疾病，還推動了新型治療方法的發現。已有研究利用家族性高膽固醇血癥患者的iPS細胞來源的肝類器官，揭示了洋地黃苷類藥物具有降低載脂蛋白B（ApoB）產生的作用。線粒體DNA耗竭綜合征患者來源的肝類器官，表現出在接受NAD治療后線粒體功能得到改善，通過激活PGC1α恢復了ATP水平。因此，肝類器官可用于篩選小分子抑制劑或進行基因編輯功能研究，鑒定FADS2等關鍵基因。
三、慢性炎癥性疾病
對炎癥性腸?。↖BD）或乳糜瀉（CeD）等免疫介導性疾病進行建模，需要將器官組織與相應的免疫細胞或炎癥介質相結合。
（1）炎癥性腸病 (IBD)
炎癥性腸病（inflammatory bowel disease，IBD）是一種非特異性的慢性復發性腸道炎癥性疾病，包括潰瘍性結腸炎（ulcerative colitis，UC）和克羅恩?。–rohn's disease，CD）。利用IBD患者來源或暴露于促炎細胞因子IL-22構建腸道類器官，IBD炎癥黏膜來源的類器官保留了組織轉錄特征；克羅恩病患者自體粘膜T細胞可與類器官共培養，直接誘導上皮細胞死亡，該過程依賴于CD103和NKG2D等分子介導的免疫細胞-上皮相互作用。
（2）乳糜瀉 (CeD)
乳糜瀉 (CeD) 是一種慢性小腸免疫介導的腸病，由遺傳易感個體攝入膳食麩質蛋白引起。小鼠模型無法完全復制人類CeD免疫應答。利用CeD患者的十二指腸活檢樣本構建免疫共培養系統，可以重現谷蛋白依賴的病理機制，并鑒定出IL-7是谷蛋白誘導的致病調節因子。
（3）甲亢Graves病
甲狀腺功能亢進癥簡稱“甲亢”，是由于甲狀腺腺體功能亢進，合成和分泌甲狀腺激素增加所導致的神經、循環、消化等系統興奮性增高和代謝亢進為主要表現的自身免疫性疾病，細胞免疫及體液免疫均參與了發病過程。利用患者來源的甲狀腺類器官（含濾泡細胞），暴露于自身抗體（激活TSHR）后，表現出細胞增殖、激素分泌增加。
（4）Hashimoto甲狀腺炎
橋本氏腦病，即“伴自身免疫性甲狀腺炎的激素反應性腦病”（SREAT）或“非血管炎性自身免疫性腦膜腦炎”（NAIM），是一種與自身免疫性甲狀腺炎，主要為橋本甲狀腺炎（HT）相關的罕見神經系統綜合征。利用患者來源的甲狀腺類器官，表現出趨化因子CCL2/CCL3水平升高，可能參與招募免疫細胞。
（5）慢性阻塞性肺疾病
慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonary disease，COPD），簡稱慢阻肺，是最常見的慢性呼吸系統疾病，在我國呈現高患病率、高死亡率和高疾病負擔的流行病學特征。利用COPD患者來源的支氣管類器官，發現杯狀細胞增生和纖毛擺動頻率降低。經煙霧提取物處理的肺類器官，會抑制類器官形成，并增加肺泡類器官對煙霧的敏感性。
四、感染性疾病
（1）隱孢子蟲病
隱孢子蟲病是一種由隱孢子蟲（Cryptosporidiumn）寄生于人或動物胃腸道黏膜上皮細胞內所引起的寄生蟲病，微小隱孢子蟲（C. parvum）是對人群致病最常見的病原體。利用人類腸道類器官，特別是分化腸細胞，可以實現隱孢子蟲生命周期的無性期、有性期，并產生具有與來自受感染宿主動物的次生感染能力相媲美的囊胚。
（2）諾如病毒
諾如病毒，原名諾瓦克病毒，屬于杯狀病毒科，是引起急性胃腸炎的最主要病原體。人類腸道器官是首個支持諾如病毒復制的體外平臺，并確定了腸上皮細胞為病毒靶點，克服了傳統細胞和小鼠模型存在的物種特異性受體、免疫反應差異等局限性。
（3）輪狀病毒、柯薩奇B病毒等
輪狀病毒是呼腸孤病毒科的無包膜雙鏈RNA病毒，是全球嬰幼兒急性胃腸炎的 "頭號殺手"；柯薩奇病毒B型（Coxsackievirus B，CVB），也是常見的人類腸道病毒，與多種嚴重疾病密切相關。利用腸道類器官，可以研究這些腸道病毒的感染。
（4）寨卡病毒病 (ZIKV)
寨卡病毒病是由寨卡病毒引起的一種急性傳染病，主要通過伊蚊叮咬傳播。腦類器官是研究ZIKV致胎兒小頭癥的關鍵模型，已有研究顯示，ZIKV感染破壞皮層分層、減少細胞增殖、降低功能性神經元數量，揭示了ZIKV蛋白NS2A、NS4A/B、NS5等干擾神經發生、自噬、干擾素信號通路的機制，可用于抗病毒藥物篩選。
（5）其他病毒
此外，呼吸道合胞病毒 (RSV)、甲型流感病毒 (IAV)、鼻病毒C型 (HRV-C)等感染性病毒疾病研究，也已有氣道類器官構建，可用于病毒感染動力學研究、人畜共患病風險、抗病毒藥物評估等。
五、腫瘤研究
（1）患者來源的腫瘤類器官（PDTO）
在動物模型中，胰腺癌、肝癌、乳腺癌等許多癌癥難以自發產生或完全復制人類腫瘤的復雜性和異質性。而患者來源的腫瘤類器官 (PDTOs)，不僅可以從幾乎所有癌種的活檢或切除材料中建立，規?？蓴U展，而且，可以保留原發腫瘤的遺傳異質性、遺傳背景與藥物反應，并穩定地進行異種移植到實驗動物體內，已被廣泛用于研究腫瘤演化、進展、耐藥機制，發現新靶點、預測個體化治療反應、進行藥物敏感性測試等。
（2）藥物篩選與個性化治療
高通量藥物篩選顯示，腫瘤類器官對藥物的反應與患者臨床療效具有顯著相關性。比如，雙特異性抗體MCLA-158的整個發現過程，均使用結直腸癌類器官庫進行篩選，該抗體能特異性抑制癌癥類器官生長而不影響健康類器官，并在臨床前模型中顯示出抑制腫瘤生長和轉移的效果，目前已進入針對頭頸鱗癌和轉移性結直腸癌的臨床試驗。
03、藥物篩選評估應用
盡管大多數研究集中在利用類器官進行疾病建模，但其也被用于篩選評估藥物化合物在多個器官中的安全性，以預測和減少臨床不良反應。
一、肝臟毒性
肝臟是藥物代謝中心，肝毒性是藥物研發失敗、撤市、限制使用的主要原因。藥物性肝損傷（DILI）預測和減輕DILI仍具有挑戰性。多能干細胞（PS細胞）或腫瘤干細胞（TSCs）來源的肝臟類器官（HLOs），能準確模擬已知藥物的肝毒性，如曲格列酮、對乙酰氨基酚及某些抗生素等，其敏感性高于2D細胞，且在臨床相關濃度下表現更好。肝臟類器官在模擬藥物誘導的磷脂沉積優于傳統的2D細胞，突顯了其評估代謝物介導肝毒性的能力。PS細胞來源的肝臟類器官，已被用于高通量篩選化合物、基因型特異性敏感性評估、模擬脂肪肝、纖維化和免疫反應等多種與DILI相關的表型等；膽管細胞類器官也已被用于研究氯丙嗪誘導的膽管損傷、肝臟靶向治療、靶向肝毒性等。
二、腎臟毒性
人類多能干細胞（PS細胞）來源的腎臟類器官，包含腎單位、集合管、腎間質和內皮細胞等，能自我組織成類似腎單位的結構，模擬順鉑、慶大霉素等腎毒性藥物誘導的細胞凋亡，且劑量依賴性地上調腎臟損傷標志物腎損傷分子1（KIM1），并已在傳統類器官、微類器官及生物打印腎臟類器官中進一步驗證，可用于評估免疫介導的毒性。例如，通過靶向人類白細胞抗原A2呈遞的WT1肽的T細胞雙特異性抗體（TCB）選擇性殺傷WT1表達細胞，展現了其在動態微環境中評估化學和免疫介導毒性的能力。
三、胃腸道毒性
使用人類回腸TSC來源的腸道類器官，可以模擬藥物誘導的腹瀉，準確率高達90%，也可以揭示藥物的毒性機制。此外，還可以對小分子表型進行高通量篩選；準確區分細胞毒性或非細胞毒性化合物；通過比較人類、大鼠和狗類器官對化合物的反應，揭示物種特異性的敏感性差異；評估基于蛋白質的生物制劑（如T細胞雙特異性抗體）的“靶向腫瘤外”效應；生成人類腸道免疫類器官，用于研究癌癥患者的T細胞雙特異性抗體誘導的腸道炎癥。
四、中樞神經系統毒性
藥物誘導的神經毒性是藥物研發中斷的主要原因，占早期和晚期項目中斷率的7%-34%。類器官提供了更接近人類中樞神經系統的微環境。誘導多能干細胞（iPS細胞）來源的腦類器官揭示了長春新堿對腦發育的神經毒性作用，確定了細胞外基質介導的信號傳導及基質金屬蛋白酶的作用；腦類器官也被用于評估抑郁癥藥物反苯環丙胺對腦發育的影響，發現其對神經元和星形膠質細胞的劑量依賴性腦損傷；腦類器官也已被用于評估化療誘導的神經毒性，如紫杉醇等。
五、心臟毒性
心臟毒性仍是藥物研發失敗和撤市的主要原因。人類心臟類器官，由干細胞來源的心肌細胞和支持細胞類型組成，可以模擬心臟組織結構、收縮功能等，用于評估藥物引起的心肌損傷、功能紊亂和纖維化，進行藥物安全性篩選。在心臟類器官中，暴露于多柔比星會降低類器官活性，增加乳酸脫氫酶（LDH）和腦鈉肽（BNP）水平，并誘導凋亡、纖維化和線粒體功能障礙，且比 2D 模型更易檢測ATP消耗和心跳異常。心臟類器官平臺已被用于高通量篩選一系列臨床相關藥物、評估發育毒性、心臟毒性等。
圖3
04、藥物吸收與代謝研究
預測藥物吸收、分布和代謝的能力是藥物研發的關鍵，類器官已開始用于評估藥物的吸收、分布和代謝。肝臟、腸道和腎臟是藥物吸收、代謝和清除的主要器官，因此成為主要的體外器官模型。
一、肝臟類器官用于藥物代謝
目前最先進的體外模型，如短期懸浮培養的冷凍保存原代肝細胞或肝細胞共培養系統，可用于確定內在清除率和藥物的主動攝取。TSC來源的肝臟類器官，表達廣泛的I相藥物代謝酶、II相酶及藥物轉運蛋白ABCB1，可用于研究藥物生物轉化和膽汁排泄。
二、腸道類器官用于藥物代謝和轉運
人類十二指腸類器官被應用于研究肽類藥物轉運，顯示出對頭孢羥氨芐、β - 內酰胺類抗生素和環己肽的攝取?；赥ranswell的2D單層系統，便于實現雙向轉運研究，能區分高 / 低通透性化合物，且可誘導 CYP 酶活性用于代謝研究。
三、腎臟類器官用于藥物轉運和清除
部分模型已實現有機陽離子 / 陰離子轉運體的功能性表達，為藥物腎排泄評估提供工具。一種源自類器官的近曲小管上皮細胞芯片模型顯示出關鍵轉運蛋白的重要上調，這種增強的轉運蛋白表達，其藥物攝取得到改善。
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05、編者點評
類器官在藥物開發中的應用，為臨床前研究提供了一種更準確且與患者相關的模型，實現了變革性的飛躍。類器官平臺，能高度模擬人類組織的復雜性，提供比傳統2D細胞培養和動物模型更具生理相關性的環境。相信隨著技術的成熟，類器官平臺將成為藥物發現中不可或缺的一部分，彌合基礎科學與臨床結果之間的差距。逐步將類器官作為NAM納入監管提交，以替代、減少和改進動物模型，具有潛在的可能性。
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參考文獻：
Wang D, Clevers H. Human organoids as 3D in vitro platforms for drug discovery: opportunities and challenges. Nat Rev Drug Discov. 2025 Nov 12. doi: 10.1038/s41573-025-01317-y.