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盡管動物模型可以回答一些生物學問題，但是太復雜，無法直接回答細胞間相互作用。此外，人體和動物之間的物種差別，使得動物實驗只能作為一個參考，在轉(zhuǎn)化至人體時，通常會發(fā)現(xiàn)差別。
類器官是2017年Nature Methods評選的年度方法, 細胞可來源于人體，結構類似于器官，則可以作為接近人體的研究模型, 進行科學研究和藥物篩選。成人干細胞衍生的類器官培養(yǎng)，通常是通過將分離的成人干細胞或所需器官培養(yǎng)的單細胞懸浮液，嵌入到細胞外基質(zhì)（ECM）水凝膠中來建立的。例如腸道器官，從小腸或結腸分離出的隱窩細胞足以培養(yǎng)出類器官，也可以從分離的成人腸干細胞中培養(yǎng)出類器官。上皮類器官培養(yǎng)基是以附加與器官相關的生長因子的培養(yǎng)基為基礎的。因此，從其他組織(如呼吸道、肝臟、胰腺、皮膚、膀胱、大腦、心臟)提取的細胞器要求在培養(yǎng)中補充相關生長因子。大腦類器官培養(yǎng)過程如下圖：誘導多能干細胞（iPSC）衍生細胞在神經(jīng)誘導介質(zhì)中生長，產(chǎn)生神經(jīng)外胚層，嵌入Matrigel中，并在旋轉(zhuǎn)生物反應器或軌道搖床中生長，以更好地擴散，獲得三維腦器官。在暴露于維甲酸的情況下，大腦器官通過自我組裝模式，形成自締和組織，形成包括放射狀膠質(zhì)細胞在內(nèi)的不同種群的神經(jīng)祖細胞，這些神經(jīng)祖細胞擴展形成大腦結構。
上皮細胞出現(xiàn)在機體所有和外界接觸的邊界，比如皮膚，呼吸道，肺，消化道，是機體對抗病原體侵染的第一層屏障，也是第一個對病原性感染作出反應的細胞。為了維持體內(nèi)平衡，并提供對感染的快速反應，上皮細胞與免疫細胞密切配合。所以在上皮區(qū)域，也是全身免疫細胞濃度最高的區(qū)域。建立上皮細胞和免疫細胞相互作用的模型，是研究抗感染免疫和損傷后免疫的重要手段。上皮細胞類器官的建立，可以非常精準的模擬機體上皮環(huán)境，也被發(fā)展起來研究上皮和免疫細胞相互作用。- 用存在于細胞外基質(zhì)中的重組細胞因子處理類器官，評價免疫細胞衍生細胞因子對于上皮細胞的影響。如IL-4和IL-13促進叢生細胞分化，而IL-22支持干細胞增殖和存活。
- 將器官消化到單個細胞，然后在免疫細胞存在的情況下，再生長。用于評估免疫細胞和免疫細胞衍生的細胞因子（可溶性或膜結合）對器官生長和分化的影響，以及上皮細胞對免疫細胞表型的影響。
- 在ECM或生長培養(yǎng)基（懸浮培養(yǎng)）中，向完整的類器官中添加（活化的）免疫細胞，如T細胞或固有淋巴樣細胞（ILCs），以評估免疫細胞與上皮細胞之間的相互作用。這些檢測的讀數(shù)通常包含消化形成的器官和隨后的轉(zhuǎn)錄（無論是（單細胞）RNA測序或定量PCR（Q PCR），成像和/或流式細胞術評估上皮細胞和/或免疫細胞表型。在這些共培養(yǎng)中使用的免疫細胞要么直接從小鼠組織（例如，脾細胞、腸上皮內(nèi)淋巴細胞、固有層T細胞、固有層ILCs或肺ILC2s）中分類，要么直接從人外周血中提取，要么先在體外分化。
胸腺是T細胞成熟和從祖細胞向成熟的幼稚淋巴細胞分化的中心部位。來源于骨髓的T細胞祖細胞在胸腺皮質(zhì)進行陽性選擇，隨后在胸腺髓質(zhì)中進行陰性選擇。胸腺的這些區(qū)域由兩種不同的上皮細胞組成：皮質(zhì)胸腺上皮細胞(CTECs)和髓質(zhì)胸腺上皮細胞(MTECs)。3D重建胸腺被證明是模擬其功能的關鍵，幾種胸腺類器官的產(chǎn)生方法：這些器官培養(yǎng)通常是從人類身上建立起來的或胎鼠或新生兒胸腺組織，但也有報道稱TEC樣細胞與人胚胎干細胞的體外分化，這些培養(yǎng)都產(chǎn)生胸腺樣結構。在體外產(chǎn)生活的T細胞，并在移植到裸鼠上時發(fā)揮作用。有趣的是，雖然長時間的類似胸腺的培養(yǎng)是可能的(離體培養(yǎng)長達56天)，但細胞在連續(xù)傳代時失去了集落形成能力。重要的是，雖然在成年小鼠中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種雙能的TEC前體，但含cTECs和mTECs的胸腺器官尚未從單個干細胞中生成。此外，考慮到小鼠體內(nèi)某些雙能TEC前體的生長因子已被發(fā)現(xiàn)(例如BMP 4和IL-22)，可以嘗試這些因子是否可用于維持TEC的祖細胞來源的類器官。幽門螺桿菌（一種革蘭氏陰性細菌，是胃潰瘍的致病菌），經(jīng)被微量注射到人的iPSC來源的胃類器官，在那里它與上皮緊密相連，并隨后轉(zhuǎn)移毒力因子細胞毒素相關基因A（CAGA）進入上皮細胞。幽門螺桿菌誘導iPSC衍生的胃器官中表達檢查點PDL1，可能導致免疫逃逸。實際上，在沒有PD1阻斷抗體的情況下，自體細胞毒性T淋巴細胞（CTLs）對類器官沒有任何作用。因而類器官不但可以模擬感染的病理過程，也可以作為模型進行藥物作用機理研究。
類器官模型也被用于艱難梭菌感染腸道上皮細胞，呼吸道合胞病毒感染肺上皮細胞等的研究。免疫系統(tǒng)也參與上皮損傷后的組織修復。例如，ILC3衍生的IL-22保護腸道免受輻射、化療或移植物抗宿主病的損害。如上所述，IL-22獨立于其他因素和Paneth細胞的存在，誘導LGR5 ISCs的存活和增殖。發(fā)現(xiàn)促炎細胞因子TNF，而不是IL-6，以NF-κB依賴的方式促進原代小鼠肝細胞類器官的長期培養(yǎng)。重要的是，小鼠和人的類器官都可以在沒有TNF的情況下生長，這表明雖然低度炎癥是上皮再生所必需的，但在穩(wěn)態(tài)條件下不需要.類器官為損傷修復及再生提供了類似于機體環(huán)境的模型。在整體方法（左）中，腫瘤活檢組織是在氣液界面間環(huán)境培養(yǎng)，所有腫瘤細胞類型的細胞懸液，包括內(nèi)源性免疫細胞和其他非上皮細胞類型，促進腫瘤特異性T細胞的生長。在還原模擬方法（右）中，上皮類器官是從腫瘤活檢組織中生長出來的，然后與來自同一患者外周血的自體免疫細胞共培養(yǎng)，以促進腫瘤反應細胞的連續(xù)擴張。雖然整體方法允許包括整個腫瘤微環(huán)境的腫瘤材料的培養(yǎng)，因此與體內(nèi)情況非常相似，但不易長時間維持，而還原模擬方法允許腫瘤上皮的長期培養(yǎng)和擴展，這使得更廣泛，更長期的研究成為可能。促進心肌纖維細胞生長化合物篩選（文獻3 Cell Stem Cell）動物模型，主要是老鼠，被廣泛用于研究心臟病，提供有價值的結果。然而，由于許多功能和生物學特性的物種差異很大，它們對人類心臟疾病和藥物安全性的推斷很差。人類多能干細胞（hPSC）可以為生物醫(yī)學和藥物研究提供無限的人類心肌細胞來源，有可能彌合這一鴻溝。然而，傳統(tǒng)2D培養(yǎng)中的hPSC源性心肌細胞缺乏功能成熟，，這在某些情況下阻礙了它們準確預測人類生物學和病理生理學的能力。多細胞3D人體類器官提供了更精確的模型，是解決這一問題的潛在方法。澳大利亞昆士蘭大學生物醫(yī)學系的科學家在Cell Stem Cell發(fā)表文章，闡述他們基于96孔板，培養(yǎng)心臟心肌類器官，進而進行化合物篩選的新流程。
基于類器官，將5000種化合物，篩選出不同功能化合物。 
特定神經(jīng)類器官培養(yǎng)及藥物篩選等應用（文獻2）首先神經(jīng)球在不同分化培養(yǎng)基種培養(yǎng)（具體的誘導因子及生長因子見下圖），產(chǎn)生大腦，中腦，海馬，前腦等不同腦部類器官。
物種進化 先天性腦畸形 神經(jīng)退行性疾病 基因編輯 藥物篩選 疾病病理學研究
Yotam E. Bar-Ephraim, Kai Kretzschmarand Hans Clevers，Organoids in immunological research，Nature Reviews Immunology，2019 Tanya Chhibber et al,CNS organoids: an innovative tool for neurological disease modeling and drug neurotoxicity screening,Drug Discovery Today, November 2019 Richard J. Mills et al, Drug Screening in Human PSC-Cardiac Organoids Identifies Pro-proliferative Compounds Acting via the Mevalonate Pathway,Cell Stem Cell 24, 895–907, June 6, 2019
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