科途公开课：类器官技术文章精选|类器官与活体成像技术的结合，未来可期
类器官，作为精准医疗功能性检测家族重要成员，近年来受到研究者们的广泛关注。为更好地展示类器官平台在临床领域的发展、促进国内临床肿瘤领域类器官应用方向的学术交流与合作，科途医学推出了类器官专题活动之“类器官技术文章精选”，旨在分享类器官领域重要文章，欢迎各方老师交流指正~
从2017、2018年Nature Methods年度技术说起：
类器官与活体成像技术的结合，未来可期
“The alliance between organoids and imaging has only just begun.”
——Anne C Rios & Hans Clevers
2017-2018 年度技术:从类器官到实时活体动物成像
2018 年 1 月，“类器官”技术被 Nature Methods 评选为 2017 年度技术，引发了临床医疗与科研学术界的广泛关注。2018 年相关研究成果雨后春笋般涌现，发表于国际多个高分值学术期刊。
2019 年 1 月，Nature Methods 将实时活体动物成像 (Imaging in freely behaving animals)评选为 2018 年度技术。实时活体成像技术实现了对生理病理状态最真实、直接的监测，实时活体成像信息的获得，将刷新医学生物领域对于发育、生长、疾病过程的认识。
“类器官”是干细胞在体外通过“自器官化”形成的具有 3D 结构的“迷你器官”，其与原发组织在结构、功能、基因表达谱上有高度类似。类器官技术的建立，打破了在体研究的技术、伦理限制，可在体外进行关于发育、再生、疾病尤其是肿瘤的各种研究及精准医疗。将类器官与实时活体成像这两项技术结合起来，将为动态研究生理发育及癌症发生提供更丰富准确的直接数据。
类器官与 4D 实时成像:组织动态观察
2018年1月，类器官技术的奠基人、荷兰Hubrecht研究所的Hans Clevers教授与Anne C Rios教授就在Nature Methods发表评论，预测类器官技术与实时活体影像技术结合的研究方向。
我们知道，患者对特定药物的敏感或耐药性，受肿瘤复杂性和信息生物学发展水平的制约，目前很难仅通过基因检测做出准确预判。而传统方式下，药物除了临床试验数据，无法在有效时间内通过常规的手段获得来自体外实验数据的指导。类器官的出现，在基因检测和临床实践中架起一座桥梁。类器官建模快、易操作、成功率高、 时效性强、可实现高通量药物筛选、临床相关性好。
而对于“类器官”这种复杂的三维体系，利用 4D 成像技术监测再合适不过。它可以完整展现类器官的组织结构，包括细胞核位置、细胞骨架的重新排列、DNA 移动对内稳态的影响等等;还可真实反映组织内各细胞因子表达状态及用药后细胞活性、 组织结构的对比变化。将基因工程手段与实时活体成像技术结合可以使疾病发展过程相关基因突变及染色体的异常变化可视化。而二维成像虽能提供标准化信息，却无法充分展现变化过程中涉及到的三维结构的复杂性。因此，类器官与 4D 实时成像技术的结合，将提供组织结构学研究的重要数据，帮助我们大幅增强对疾病进展以及细胞稳态等方面的理解。
当然，这种 4D 实时成像方法需克服时空分辨率、信噪比、均衡的采集时间等诸多问题。更重要的是，由于类器官自身的脆弱性和严苛的培养条件限制，如何在避免光辐照和环境转化带来影响的同时又保证图像最佳，科学家们想出了许多解决方案。 例如，Betzig 教授团队利用了一种栅格光片系统，能够在高时空分辨率下形成分子到生物体的图像；随着筛选显微镜平台的发展，有些团队采取不同位置、不同时间配置多个荧光报告器的方案，自动形成三维图像，结合高通量类器官平台体外进行药物筛选，用于研究组织内细胞形态和活性变化。
类器官与活体成像:实时跟踪肿瘤发展过程
将荧光标记的人源肿瘤类器官异体种植到动物体内后，利用活体显微镜成像技术，可以实现长时间(1年以上)动态跟踪观察种植到小鼠体内的原发肿瘤细胞及转移瘤。可以预见，这种荧光标记类器官并将其种植到动物体内，再结合活体成像技术，将使人类肿瘤的原位观察研究再往前迈进一大步。
利用多色荧光标记示踪体系内遗传物质的表达，是另一种研究正常组织和癌症细胞动力学的有效策略。Sato 教授团队设计了一组较为温和的荧光标记蛋白，进行患者体内大肠癌发展过程的细胞动力学示踪。可以想象，若将这种荧光标记方法大规模应用于类器官平台研究中，在更好地保证无害性的同时，会为细胞分子水平的研究提供更多可靠数据。
A.4D实时活体成像技术在人结直肠癌类器官中的应用 JaccovanRheenen实验室提供
B.多色荧光示踪在人结直肠癌类器官中的应用 ToshiroSato实验室提供
思考:下一站，将去向哪里?
类器官模型和实时活体成像技术的发展正在悄然改变生命科学的研究思路。然而，作为新兴技术，尚存在许多问题需要完善和解决。幸运的是，在全球关注该领域发展的研究者的共同努力下，我们正不断实现各种技术突破。例如2018年12月，Calvin J. Kuo 教授团队发表于 Cell 上的题为“Organoid Modeling of the Tumor Immune Microenvironment”的文章，展现了包含原有免疫细胞及免疫因子的肿瘤微环境 (Tumor Microenvironment，TME)共培养技术，解决了长期阻碍类器官模型发展的一大难题。正是通过这些不断的突破，我们才得以越来越动态、全面地了解肿瘤结构、了解癌细胞行为背后的机制。
成像技术与类器官技术结合，不断扩大我们可视化研究疆域，可以实现对标本的单细胞到整个组织的动态观察。但我们也面临挑战:那就是大量的信息处理。正如Anne C Rios教授和Hans Clevers教授评论所述，类器官和成像技术结合的征程，才刚刚开始。
参考文献:
1.None. Method of the Year 2017: Organoids[J]. Nature Methods, 2018, 15(1):1-1.
2.Method of the Year 2018: Imaging in freely behaving animals[J]. Nature Methods, 16, page1 (2019).
3.Organoids: the body builders，Michael Eisenstein，Nature Methods volume 15, pages 19–22 (2018).
4.Imaging organoids: a bright future ahead，Anne C Rios & Hans Clevers，Nature Methods volume 15, pages 24–26 (2018).
5.Organoid Modeling of the Tumor Immune Microenvironment. Cell. 2018 Dec 13;175(7):1972-1988.e16. doi: 10.1016/j.cell.2018.11.021.
