作为一名研究人员，我至今仍记得每次必须为了实验牺牲实验动物时的不适感。几十年来，小鼠、大鼠和猪等动物一直是生物医学研究中不可或缺的工具。尽管如此，许多科学家仍在追问，是否存在更好、更人道的替代方案。
据估计，全球每年有近2亿只动物被用于实验室研究。虽然动物模型帮助催生了重大的医学突破，但它们并不总能反映人类的生物学机制。
新技术如今为科学家提供了一种有前景的替代方案：类器官——在实验室中培养的人体器官的微型三维版本。
这些“迷你器官”由人类干细胞培养而成，能够再现人体内发现的复杂细胞类型和相互作用。由于源自人类细胞，类器官为研究人员提供了一种比传统动物模型更直接地研究人类疾病的方法。
类器官用于大脑研究
这种方法在大脑研究领域备受关注。与许多其他器官相比，大脑为科学家带来了独特的挑战。
脑部疾病通常很复杂且难以精确定义，涉及多种细胞类型和神经回路的微妙变化。同时，大脑是人体中最难以接触的器官之一。与血液或皮肤不同，无法轻易从健康个体身上采集到活体脑组织。
例如，阿尔茨海默病是一个日益增长的全球健康问题，尤其是在人口老龄化的情况下。然而，寻找治疗方法已被证明极其困难。一项对二十多年研究的系统回顾发现，98%的阿尔茨海默病候选药物在临床试验中失败，而只有两种成功。这凸显了开发有效疗法的巨大挑战。
药物在动物体内有效，但在人体内无效是失败原因之一。小鼠和人类共享许多生物学特征，但重要的物种差异意味着动物模型无法完全再现人类大脑的结构和复杂性。
传统的实验室模型也有其他局限性。例如，许多实验依赖于二维细胞培养，细胞在塑料培养皿上以平坦的层状生长。虽然有用，但这些系统缺乏真实组织中存在的三维结构和细胞间相互作用。没有这种复杂性，它们就无法准确模拟许多疾病过程。
这正是类器官正在改变生物医学研究的地方。
2013年，科学家们证明，由人类干细胞培养的脑类器官可以自组织成类似于发育中大脑部分的结构。这些“迷你大脑”包含多种神经细胞类型，并能模拟早期大脑发育的某些方面。
研究人员现在使用它们来研究诸如自闭症、阿尔茨海默病和肌萎缩侧索硬化症等疾病。
肠道、肝脏、肾脏、胰腺
除大脑外，科学家们还创造了类似于许多其他组织的类器官，包括肠道、肝脏、肾脏和胰腺。
这些模型使研究人员能够在类似人体的组织上研究疾病和测试化学物质，而非在动物身上。例如，未来类器官可以用于使用来自不同个体的细胞，跨多个器官筛查化学物质的毒性。
在我自己的研究中，我的实验室从人类和小鼠的胰腺组织中培养类器官，以研究细胞多样性和胰腺炎症。这些模型使我们能够探索不同胰腺细胞类型在三维空间中的行为——这在传统的二维细胞培养中是不可能观察到的。
个性化医疗的潜力
类器官的一个关键优势是它们能够捕捉人类的多样性。相比之下，实验中使用的实验室小鼠通常在基因上相同，这并不能反映人类群体的多样性。
类器官可以由单个患者捐赠的细胞培养而成，使研究人员能够研究疾病在不同遗传背景下的发展过程。
这为个性化医疗打开了大门，科学家可以在将潜在治疗方法用于患者之前，先在源自患者的类器官上进行测试。
源自患者的类器官可以预测个体对某些药物的反应，例如转移性结直肠癌患者对化疗的反应。
另一方面，由许多个体培养的类器官可以更真实地代表群体对药物的反应。这有助于研究人员识别出更有可能在临床试验中成功的治疗方法。
总体而言，类器官正在成为药物发现和安全性测试的强大工具。
这是否意味着动物实验的终结？
一些科学家认为，在某些研究领域，类器官可能完全取代动物。类器官技术符合动物研究中的“3R”原则——减少、优化和替代——旨在最大限度地减少科学中对动物的使用。
反映这种转变，美国国立卫生研究院（NIH）最近宣布，将优先使用基于人类模型的研究技术，而不是仅仅依赖动物实验。
该领域的先驱者持乐观态度。帮助开发肠道类器官的著名科学家Hans Clevers曾表示，在未来几十年内，类器官最终可能在某些形式的毒理学测试中取代动物。
尽管类器官并不完美
尽管类器官比传统的细胞培养复杂得多，但它们仍然是真实器官的简化版本。许多类器官缺乏血管，这限制了它们的大小和成熟度。它们尚未能够捕捉到在人体组织中发现的全部细胞类型多样性，例如免疫细胞。
研究还表明，由于实验室生长条件，类器官内的细胞可能会经历应激。
就目前而言，类器官应被视为科学工具箱中强大的补充，而非动物模型的完全替代品。
类器官仍是一项新兴技术，但它们已经在重塑科学家研究人类生物学和疾病的方式。随着技术的进步，这些微小的实验室培养器官可能有助于研究人员减少对动物实验的依赖，同时使我们更接近于理解——并治疗——复杂的人类疾病。
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