用于转化免疫学的工程化人源免疫类器官

文献解读

用于转化免疫学的工程化人源免疫类器官

随着测序方法的快速发展，免疫学研究取得了巨大进展，成为解决包括癌症、糖尿病和自身免疫性疾病（例如，类风湿性关节炎和狼疮）等多种人类疾病的前沿学科，这些疾病均与免疫功能失调有关。免疫功能的受损与多种疾病的发生有关。癌症作为全球死亡的首要原因，其恶性肿瘤风险的增加与免疫系统受损相关。癌症的特征是系统性和持续性的炎症，这在肿瘤进展过程中显著改变了全身的免疫环境。异常的先天免疫和适应性免疫反应通过选择侵袭性克隆、触发免疫抑制和促进癌细胞生长及转移，从而导致肿瘤发生。在过去十年中，免疫疗法通过靶向免疫系统，如使用免疫检查点抑制剂（例如抗PD1、抗PDL1和抗CTLA4）进行免疫调节，以及输注自体肿瘤浸润性淋巴细胞和嵌合抗原受体（CAR）T细胞来根除侵袭性淋巴瘤，从而彻底改变了对抗癌症的工具。

过去三年中，新冠病毒（SARS-CoV-2）的快速传播再次凸显了理解人体如何通过免疫力应对感染性病原体的重要性。病毒受体结合域的累积突变降低了现有疫苗对抗新变种的有效性。环境因素（如污染）和宿主因素（如衰老导致的免疫衰老）对人类免疫力的影响也引起了研究者的关注。人体免疫系统是防御感染或生物威胁的首要多细胞网络，理解人体免疫功能对于保护生命、提高疾病诊断和治疗效果至关重要。但由于其复杂性、个体间高变异性以及原始免疫组织的低可及性差，这一任务充满挑战。

 大多数免疫反应的临床前研究都依赖于动物模型（如纯种小鼠）。尽管其易于获取和操作简便，但由于物种遗传和微环境差异导致的复杂相互作用和独特的细胞特性，它们在模拟人类方面存在不足，从而导致临床阶段的失败。为了促进转化免疫学研究，用一个高度可及、稳健且成本效益高的模型替代动物实验至关重要。

近年来，仿生微工程学取得了显著进展。“器官芯片”作为优秀的体外模型能够在器官或组织水平上模拟人类生理反应，有助于提供诸如解析生物机制，药物发现和毒性测试以及临床前测试等见解，已有多家初创公司将器官芯片原型转化为商业产品。尽管器官芯片系统在某些方面优于动物模型，但它们无法完全重现免疫器官的天然多细胞结构和拓扑结构，也无法捕捉人类适应性免疫的深层复杂性。缺乏三维（3D）组织微结构复杂性、细胞多样性有限、循环系统受限以及器官芯片缺乏标准化和可扩展性，限制了这些模型作为转化模型的使用。

类器官技术因其在小型器官中提供了关于组织结构和功能的复杂见解而备受关注。在过去十年中，免疫类器官已被建立用于免疫学研究，主要来源于包括胸腺、脾脏、扁桃体和淋巴结在内的淋巴组织，这有利于构建相关的体外模型。

新加坡国立大学的研究者最近在《Bioactive Materials》（IF=18）杂志在线发表了一篇讨论免疫类器官研究进展的综述，题为《Engineering human immune organoids for translational immunology》。

在这篇综述中，作者描述了类器官系统如何克服基于动物的研究的局限性，例如与人类生理不匹配、昂贵、耗时和筛选低通量。免疫类器官是体外器官生成的一项特殊进展，其可以从生理学的角度反映人类的适应性免疫。文中讨论了如何从患者来源的淋巴组织中建立免疫类器官，以及它们的特征和功能特征，以了解免疫机制和响应。此外，从生物工程的角度考虑了免疫工程类器官的潜在进展。

淋巴组织是人体免疫系统的组成部分，其在抵御感染和维持体内平衡的防御机制中起着核心作用。淋巴类器官可以潜在地解决动物模型的局限性，以推进人类免疫学研究。这是一项突破性的技术，可以创建人体适应性免疫系统的生理相关模型，可以解决其他临床方法的一些局限性（图1）。

图1 人体淋巴器官建模研究的示意图，以及每种模型之间的优缺点，包括体内动物实验、器官芯片系统、精密组织切片（PCTS）和类器官培养。

了解淋巴器官的组织壁龛、特征和归因于体外器官重构的关键功能非常重要。文中比较了不同淋巴器官及其模型的特征，包括组织形态、器官功能和细胞表型标记，以及现有的淋巴器官体外模型作为动物模型的替代，这有助于突出其生物学关键功能的差异，并为生物工程方法生成和表征体外人体器官模拟模型的生理真实性提供见解。

图2 现有淋巴器官模型。（A）全器官人胸腺支架功能性再生；（B）人骨髓芯片的设计；（C）含有巨噬细胞富集区（M-chip）和脾窦壁上内皮间裂隙（IES）（S-chip）的脾脏芯片平台示意图，模拟改变红细胞的脾滤过；（D）体外淋巴结模型。

文中详述了类器官用于模拟人体免疫反应的使用。类器官技术作为一种复杂的生理模型系统，在免疫学领域尤其重要，通过SWOT分析可以评估类器官在免疫学研究中的多个方面作用和科学参数。最近的研究发现，人类自体组织衍生的类器官/免疫细胞共培养模型作为体外模型，有利于疾病建模和评估药物或个性化临床治疗效果。不幸的是，这些研究都只提供了类器官周围的2D免疫细胞环境，可能不足以反映先天和适应性免疫系统的实际结构和功能复杂性。构建生物工程淋巴类器官将使更先进的免疫学研究成为可能。尽管人类免疫类器官的发展相较于其他类型的类器官（如大脑、肾脏、肝脏）还处于初级阶段，但它们是一步理解人类适应性免疫的有利替代模型。此外，动物源性淋巴类器官可以很好地模拟体内微环境的生理条件，并以简单的方式提供类似的器官功能表征，但它们的转录反应仍然不能很好地反映人类疾病和免疫行为，这表明基于动物的免疫类器官可能不适合用于人类疾病建模和药物测试。虽然人类来源的类免疫器官尚未被广泛报道，但它们是进一步了解人类适应性免疫的良好替代动物模型。最新的突破来自于人类扁桃体类器官的发展，它们在体外复制了关键的免疫学特征，包括在活疫苗接种后的抗原特异性适应性免疫反应。

图3 目前建立的人类免疫类器官生成方法概览。（A）细胞共培养系统；（B）常规组织培养皿直接细胞培养；（C）一次性生物反应器系统；（D）水凝胶支架包埋法。

类器官分析对于精准评估其特性与功能，并将其用作转化模型具有重大意义。免疫类器官的检测指标对于评估免疫类器官的关键生物学属性至关重要，这些指标包括：（1）使用qPCR、DNA微阵列、飞行时间流式细胞技术以及批量或单细胞RNA测序，在基因组和转录组水平上分析类器官的多细胞多样性和表型变化；（2）利用酶联免疫吸附测定、流式细胞术分析、蛋白质印迹法和蛋白质微阵列，揭示类器官中的关键表面标志物、代谢功能和蛋白质分泌；（3）利用免疫荧光或组织化学染色可视化类器官的生理和形态特性。利用这些检测方法，文中还对干细胞来源和体外供体组织来源生成类器官进行了优缺点比较分析。

图4 评估免疫类器官的各种表征方法和输出。（A）抗体类别转换和体细胞超突变分析，以检查代表免疫类器官生理功能的抗体反应。（B）通过多组学分析揭示类器官的多细胞组成和多样性。（C）细胞因子释放实验可反映免疫类器官的代谢功能。（D）组织学、免疫组化和免疫荧光染色有助于分析类器官的形态结构。

免疫器官类器官技术的出现，不仅在转化免疫学研究领域展现出巨大潜力，在免疫治疗药物的临床评估中亦显示出其重要性。尽管如此，免疫器官类器官技术仍处于起步阶段，存在诸多需要解决的问题，以使其能更好地应用于免疫生物学研究和药物筛选等领域。基于作者的调研结果，目前仅有7篇关于人类来源免疫器官类器官的研究文献，其中3篇基于干细胞衍生，4篇基于原代供体细胞。虽然已建立了多种器官型培养体系以探索体外人类病理学和疾病机制，但这些体系与在感染机制和稳态维持中起核心作用的免疫组分的整合尚待深入研究。将免疫器官类器官与其他类型的类器官相结合，有望提升模型的复杂性及其与人体生理学的相关性。目前尚无关于此类结合的公开报道。本文中阐述了采用生物工程方法改善免疫器官类器官的形态生理功能，并应对相关挑战的潜在策略。

图5 免疫工程类器官克服挑战和未来方向。改善（A）类器官结构和（B）血管化和成熟水平的生物工程方法。（C）免疫、肿瘤和血管类器官融合形成体外组整合模型，重组肿瘤微环境。（D）芯片驱动的免疫模型，体外模拟整个适应性人类免疫系统。

原文索引

[1] Intan Rosalina Suhito, Christina Sunil, Andy Tay. Engineering human immune organoids for translational immunology[J]. Bioactive Materials, 2025, 44: 164-183.

https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.10.010