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摘要：类器官作为一种能够模拟天然组织部分结构和功能的三维细胞培养物，在生物医学研究领域正发挥着越来越重要的作用。然而，其体外培养需要特定的环境条件，而生物反应器技术则为类器官的成功培养提供了有力支持。本文主要探讨了搅拌式生物反应器、微流控生物反应器、旋转壁式容器和电刺激生物反应器这四类用于类器官培养的生物反应器，介绍了它们的工作原理、在类器官培养中的应用、优势与局限，并对未来生物反应器技术的发展方向进行了展望。一、引言近年来，类器官在研究器官发育、疾病建模以及药物研发等方面的应用越来越广泛 。它是由干细胞分化形成的三维细胞聚集体，相比传统的二维单层细胞培养，类器官在基因和蛋白质表达、细胞极化以及组织微观和宏观结构等方面都更接近天然组织 。生物反应器是用于类器官体外培养的重要工具，与大规模生产生物分子的商用生物反应器不同，用于类器官培养的生物反应器通常规模较小，旨在为类器官生长提供优化的环境条件，如调节氧气、营养物质浓度，控制流体流动和剪切力等 。接下来，我们将详细介绍几种常见的用于类器官培养的生物反应器。二、搅拌式生物反应器搅拌式生物反应器（SBR）的工作原理与大规模生产生物分子的传统反应器相似，通过配备的叶轮产生流体动力，实现营养物质和氧气的均匀分布，其工作模式如图 1A 所示 。改善组织氧合：SBR 能有效改善细胞和类器官培养中的物质传递和氧合作用 。在二维造血干细胞培养中，使用 SBR 可降低氧化应激，提高细胞存活率并加速分化 。在三维类器官培养时，SBR 能解决氧气和营养物质扩散不足的问题，例如在培养脑类器官时，可使类器官更大且结构更连续 。促进细胞谱系进展和三维空间组织形成：SBR 有助于祖细胞的增殖、分化和存活，促进多层类器官组织的形成 。通过增强氧气和营养物质向组织内层的扩散，可避免因缺血导致的组织发育停滞 。同时，SBR 还可用于诱导细胞重编程，如通过悬浮培养法从体细胞中获得诱导多能干细胞（iPSCs） 。类型及定制性：最常见的 SBR 是 spinner flask，它结构简单，能促进氧气和营养物质在培养基中的混合 。对其进行改进后，可实现营养物质的连续灌注、废物排出、传感器集成、pH 控制和样品采集等功能 。SBR 易于放大培养规模，例如，Qian 等人使用定制的搅拌平台成功培养出特定脑区的类器官；Schneeberger 等人利用 spinner flask 大规模培养人诱导多能干细胞（hiPSC）来源的肝类器官，这些肝类器官在功能上表现出更好的肝细胞特性（相关成果可参考图 2） 。局限性：SBR 存在一些局限性，如较高的流体剪切力可能会损伤对剪切力敏感的类器官，叶轮设计不当还可能破坏细胞的细微结构 。此外，定制和 3D 打印的 SBR 系统可能会增加技术难度，不过研究人员也在不断改进，如开发出 Spin∞系统，解决了部分灭菌和长期实验可靠性的问题（表格 1：Selected studies using stirred bioreactors for organoid culture，展示使用搅拌式生物反应器进行类器官培养的相关研究，包括细胞来源、目标、生物反应器设置和结果等信息，让读者更清晰地了解其应用情况）。三、微流控生物反应器微流控生物反应器（MFB）结合了传统二维和三维培养方法以及其他生物反应器平台的优点，为类器官培养提供了更精确的微环境控制 ，其结构如图 1B 所示 。功能与应用：MFB 通过外部或内置的泵使流体在微小的通道和腔室中流动，实现氧气、营养物质的供应和废物的排出 。同时，它还能通过二次入口注入补充物质，并利用层流特性精确调控微环境 。此外，MFB 常集成多种传感器，用于实时监测实验数据，如 Zhang 等人构建的用于肝和心脏类器官培养的模块化传感 MFB 平台，可实现对多种生物标志物和培养环境参数的监测 。类器官培养的优势：MFB 能精确调节微环境参数，这对于类器官培养至关重要，有助于提高类器官的培养质量，确保其更均匀地发育和定向分化，减少传统培养方法带来的不确定性和异质性 。此外，MFB 还能模拟生理条件，为研究细胞对特定刺激的反应提供动态平台 。在类器官培养中的应用实例：Fu 等人利用 MFB 成功诱导了多细胞球体的形成和培养，该 MFB 通过特殊的光刻技术制造，能有效促进细胞聚集和物质交换 。Wang 等人使用配备可灌注微柱阵列的 MFB 对 hiPSC 来源的肝类器官进行长期培养，结果显示，在动态培养条件下，肝类器官的细胞活力更高，分化效果更好（相关数据可参考图 3） 。Achberger 等人构建的视网膜芯片（RoC）MFB，为视网膜类器官和视网膜色素上皮细胞的共培养提供了更接近生理条件的环境，显著促进了外段结构的形成（见图 4） 。局限性：MFB 的制造过程复杂且耗时，所使用的材料可能存在生物相容性问题，影响细胞行为并产生有害副产物 。此外，MFB 的基础组件制造难度大、成本高，实验规模放大困难，长期实验还容易受到污染，且监测和评估类器官培养状态也较为复杂（表格 2：Selected studies utilizing microfluidic bioreactors for organoid culture，呈现使用微流控生物反应器进行类器官培养的相关研究，包括细胞来源、目标、生物反应器设置和结果等，帮助读者梳理其应用案例）。四、旋转壁式容器旋转壁式容器（RWV）最初由 NASA 开发，其工作原理基于 clinostat，通过容器的旋转产生低剪切混合和模拟微重力环境，主要有慢转侧式容器（STLV）和高纵横比容器（HARV）两种类型，如图 1C 所示 。在类器官培养中的用途：RWV 对细胞培养有诸多益处，能促进细胞在低剪切环境下的混合，提高细胞性能 。例如，在 RWV 中培养细胞可使重组蛋白产量显著增加 。在类器官培养方面，RWV 可用于促进球体形成和干细胞的体外扩增，还能推动类器官向特定组织类型分化 。如 Wilkinson 等人利用 RWV 成功培养出肺组织类器官，DiStefano 等人发现 RWV 培养的视网膜类器官生长和成熟速度更快（相关数据可参考图 5） 。模拟微重力环境：RWV 可以模拟微重力环境（SMG），这为研究微重力对细胞和组织的影响提供了平台 。例如，在对神经内分泌 PC12 细胞的研究中发现，在 SMG 条件下培养的细胞，其血管生成因子（如 VEGF）表达上调，器官 oid 植入小鼠后血管化程度更高（见图 6） 。局限性：使用 RWV 需要较高的操作技能，细胞接种和换液过程中要特别注意避免引入气泡，因为气泡会产生局部高剪切力，影响类器官的生长 。此外，确定合适的旋转速度也颇具挑战，对于大小和密度不同的类器官，很难找到一个统一的最佳转速 。而且，模拟微重力环境可能对某些细胞和组织类型产生不利影响，并非所有类器官都适合在 RWV 中培养（表格 3：Selected studies utilizing rotating wall vessel bioreactors for organoid culture，展示使用旋转壁式容器进行类器官培养的研究案例，包括细胞来源、目标、生物反应器设置和结果等，便于读者了解其应用情况）。五、电刺激生物反应器电刺激生物反应器（ES）通过向培养的细胞和类器官施加电刺激，来调节细胞的生长、分化和成熟，常见的是直接刺激方式，如图 1D 所示 。类器官电刺激的作用：对于可兴奋组织的类器官，电刺激有助于其分化和成熟 。在心脏类器官培养中，电刺激可增强心肌细胞基因表达、促进细胞间连接和提高心肌收缩能力 。比如，一项研究利用定制的电刺激生物反应器，对心脏类器官在分化的第 23 - 30 天施加不同频率的电刺激，发现随着刺激频率增加，心脏基因表达上升，细胞自发收缩频率也增加，并且在停止刺激后，高频率刺激组的类器官仍能保持较高频率的自发收缩（相关数据可参考图 8） 。此外，电刺激还可用于诱导早期心脏分化，减少心脏类器官形成所需时间 。在神经类器官培养方面，电刺激能够促进神经突生长和突触形成，改善神经元的发育和功能 。例如，Zhang 等人对小鼠皮层神经元来源的神经类器官施加电刺激，发现能够增加神经突的数量和长度，提升突触形成相关标志物的表达（见图 9） 。商业与定制系统：市面上有多种用于细胞和类器官电刺激的商业设备，其中 IonOptix 的 Culture Pacing System（C-Pace）较为常用，因其操作简便而受到众多研究的青睐 。不过，一些研究人员更倾向于开发定制的电刺激系统，这样可以根据实验需求选用不同的电极材料、培养容器，更精准地控制刺激参数，还能添加如培养基灌注、机械刺激等额外功能，而且定制系统成本相对较低（表格 4：Selected studies utilizing electrically stimulated bioreactors for organoid culture，展示使用电刺激生物反应器进行类器官培养的研究，包括细胞来源、目标、生物反应器设置和结果等，帮助读者了解其应用效果）。六、讨论与未来展望生物反应器在类器官体外培养中发挥着关键作用，相比传统静态培养，它能更好地支持多种组织类型的类器官生长、分化和成熟 。不同类型的生物反应器，如搅拌式、微流控、旋转壁式和电刺激生物反应器，各自具有独特的优势和局限性 。搅拌式生物反应器操作简单但存在剪切力问题；微流控生物反应器能精确控制微环境，但成本高且操作复杂；旋转壁式容器可模拟微重力环境，但对操作人员要求高；电刺激生物反应器专注于电刺激调节，但缺乏综合功能 。目前，组合式生物反应器的研究较少，未来可探索将多种技术结合，如在微流控设备中嵌入电极实现刺激和监测功能，以满足类器官培养的多样化需求 。同时，定制生物反应器虽成本低、灵活性高，但在材料选择和灭菌方面存在挑战 。未来，随着技术的发展，遗传工程手段将更多地应用于类器官培养，如利用基因编码荧光标记监测基因表达变化，单细胞 RNA 测序技术也将更广泛地用于分析类器官培养 。这些技术进步有望推动类器官在移植、药物研发和个性化医疗等领域的应用，但目前利用类器官进行临床应用仍面临技术挑战，如类器官与天然系统的可比性验证、患者 iPSC 差异导致的类器官质量差异以及未分化干细胞的潜在风险等 。生物反应器技术有助于解决这些问题，提高类器官的质量和一致性，推动其临床转化应用 。识别微信二维码，添加生物制品圈小编，符合条件者即可加入生物制品微信群！请注明：姓名+研究方向！版权声明本公众号所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源和作者，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系(cbplib@163.com)，我们将立即进行删除处理。所有文章仅代表作者观不本站。