人类内耳是最复杂的器官之一，以螺旋形耳蜗为特征，耳蜗内细胞排列有序，有探测声音的感觉细胞以及错综复杂的前庭赋予平衡感。耳蜗中的机械敏感毛细胞负责听力，但是容易受到基因突变和环境损伤。由于人类耳蜗组织研究样本的缺乏，对人类耳蜗组织以及其中毛细胞的研究变得非常困难。类器官的出现则为耳蜗组织的研究提供了重要平台。
耳类器官可以从胚胎或多能干细胞通过一系列定向分化步骤在体外培养构建，这些步骤模拟了人类内耳发育的主要阶段，概括为：
① 形成表面外胚层和耳基板组织；
② 成耳囊泡中的内耳祖细胞；
③ 形成内衬有感觉上皮的细化结构。
这个过程是通过应用转化生长因子、骨形态发生蛋白、成纤维细胞生长因子和Wnt信号通路的小分子抑制剂及激动剂在体外完成的，然后在没有任何外源因素的情况下进行长时间的自我导向成熟[1]。
关于体外细胞诱导分化的精确时机和条件，目前并没有最优解和标准化方案，这就导致不同耳类器官中器官的大小、形状和数量存在很大差异。非感觉细胞类型的快速分化，可能为耳泡提供关键的结构支持，但也会导致各个类器官的异质性。Van der Valk等人[2]报道使用当前分化方案培养的类器官中所呈现的细胞类型，以及那些尚未成功培养的细胞类型。单细胞RNA测序数据集的分析表明，耳类器官中产生的毛细胞本质上是前庭的，但也有一些推测性的报告表明已经产生了可能的耳蜗细胞。Erni等[3]提出的使用Y-分泌酶抑制Notch信号通路传导的新方法产出了一些令人满意的初步结果。然而，目前已发表的研究尚不能证实已成功构建耳蜗毛细胞。
直至2023年复旦大学医学神经生物学国家重点实验室的夏明宇团队首次通过分期3D共培养系统建立了具有功能外周听觉环路的耳蜗类器官，并通过一系列形态学和电生理学检测，证实了类器官内细胞和突触的功能，为感音神经性耳聋的研究提供了复合类器官研究平台[4]。
耳蜗类器官与SGN三维共培养生成SGN神经支配的类耳蜗
实验策略示意图[4]
耳类器官具备体外模拟人体组织中的各种听觉和前庭疾病的功能，因此适合用于该类疾病的诊断及治疗研究[5]。耳功能障碍可由多种原因导致，包括感觉神经基因突变、耳毒性药物、感染和急性机械性外伤等。获得和构建源自患者的iPSC以培养用于测试各种疗法的患者特异性类器官可以相对容易地进行[6]。
Wen的团队使用来自Waardenburg综合征患者的iPSC系的内耳类器官来探索关键早期基因Sox10突变的遗传后果及其对体外神经嵴发育的不良影响[7]。采用高通量技术进行候选治疗药物的体外评估是类器官的一大应用方向。毛细胞易受许多小分子、抗生素、化学疗法和病毒感染的影响，即药物呈现的耳毒性。顺铂等化疗药物的一种副作用是药物诱导的耳毒性。有望消除此类耳毒性影响的耳保护剂已在动物模型中得到初步验证[8]。在Kastan等的一项研究中，Yap信号作为一种增殖信号，可以诱导小鼠耳蜗中支持细胞的分裂，其激活可以防止细胞死亡并对药物引起的毛细胞损伤具有保护作用[9]。
在神经嵴细胞的发育和分化过程中，
SOX10调控特定靶基因的转录的原理图[7]
自耳类器官技术发展以来，其应用已涉及多个领域的研究，包括细胞发育和重编程、疾病建模、疾病预防、再生和修复等，并且为药物高通量筛选、干细胞替代、基因治疗、器官芯片仿生等工作提供了新的平台。
[1] Nist-Lund C, Kim J, Koehler KR. Advancements in inner ear development, regeneration, and repair through otic organoids. Curr Opin Genet Dev. 2022 Oct;76:101954. doi: 10.1016/j.gde.2022.101954.
[2] van der Valk WH, Steinhart MR,et al. Building inner ears: recent advances and future challenges for in vitro organoid systems. Cell Death Differ. 2021 Jan;28(1):24-34. doi: 10.1038/s41418-020-00678-8.
[3] Erni ST, Gill JC,et al. Hair Cell Generation in Cochlear Culture Models Mediated by Novel γ-Secretase Inhibitors. Front Cell Dev Biol. 2021 Aug 13;9:710159. doi: 10.3389/fcell.2021.710159.
[4] Xia M, Ma J,et al. Generation of innervated cochlear organoid recapitulates early development of auditory unit. Stem Cell Reports. 2023 Jan 10;18(1):319-336. doi: 10.1016/j.stemcr.2022.11.024.
[5] Romano DR, Hashino E, Nelson RF. Deafness-in-a-dish: modeling hereditary deafness with inner ear organoids. Hum Genet. 2022 Apr;141(3-4):347-362. doi: 10.1007/s00439-021-02325-9.
[6] Huang CY, Liu CL,et al. Human iPSC banking: barriers and opportunities. J Biomed Sci. 2019 Oct 28;26(1):87. doi: 10.1186/s12929-019-0578-x.
[7] Wen J, Song J,et al. A Model of Waardenburg Syndrome Using Patient-Derived iPSCs With a SOX10 Mutation Displays Compromised Maturation and Function of the Neural Crest That Involves Inner Ear Development. Front Cell Dev Biol. 2021 Aug 6;9:720858. doi: 10.3389/fcell.2021.720858.
[8] Febles NK, Bauer MA,et al. A combinatorial approach to protect sensory tissue against cisplatin-induced ototoxicity. Hear Res. 2022 Mar 1;415:108430. doi: 10.1016/j.heares.2022.108430.
[9] Wang M, Dong Y,et al. Hippo/YAP signaling pathway protects against neomycin-induced hair cell damage in the mouse cochlea. Cell Mol Life Sci. 2022 Jan 19;79(2):79. doi: 10.1007/s00018-021-04029-9.
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