Alpha ketoglutarate

在抗衰老科学研究领域，许多关键突破大众并不知晓，今日我们从科学角度出发，结合可靠数据，系统讲解GeneAKG（基因α酮戊二酸）的技术原理及临床成果，为关注AKG相关产品的读者提供清晰参考。 一、GeneAKG的技术起源与核心突破 科研背景与开发历程 AKG即α-酮戊二酸，属于三羧酸循环中关键的代谢中间体，一直被视为抗衰老研究的潜力靶点，2014年，巴克研究所实验发现，AKG可使线虫寿命延长50%，让小鼠寿命增加23%，不过天然的AKG存在几个应用方面的难题，比如生物利用度低，胃酸破坏率可达92%，细胞穿透性也差，不足5%，且易在体内降解。 2016年，哈佛医学院科学家团队启动“GeneAKG”项目通过CRISPR基因编辑技术改造酵母菌株，将AKG纯度提升至98%（传统工艺为60–70%），并使其活性提高5倍。 这个时候研究团队开发出“四元复合递送系统”，结合紫檀芪、漆黄素、植物鞘氨醇三种成分，利用纳米微囊包裹技术实现协同增效，使抗衰效果提升5.2倍。 技术机制与递送系统突破 GeneAKG在递送系统上实现重要突破 纳米脂质体包裹技术（德国专利DE102017009039）：胞内递送效率为普通AKG的31倍； 肠溶缓释设计：胃中释放率＜5%肠道靶向释放达95%； 内源性诱导机制：激活AMPK-PGC1α通路，促进细胞自主合成NAD+，使体内NAD+水平持续提升300%。 该技术实现“代谢-基因双轴调控” 代谢轴：提升线粒体ATP合成效率300%，自由基清除率达90%； 基因轴：作为TET双加氧酶辅因子，纠正DNA甲基化错误率达73%，并激活Sirtuins蛋白家族，使端粒酶活性上调217%。 临床进展与权威认证 2021年，美国纽曼康复中心对3,835例患者的研究显示，GeneAKG在4周内显著改善新冠后遗症及慢性炎症等指标； 2024年，获美国FDA认证为抗衰生物制剂； 2025年，《CellMetabolism》发表临床研究称，300名志愿者服用7个月后，DNA甲基化年龄平均逆转8.5岁最高个体逆转达34岁。 二、128项抗衰指标的系统解析 依照国际抗衰医学会（ISAA）的标准来看，GeneAKG所发挥的作用包含代谢、心血管、神经认知、组织再生以及免疫这五大方面： 代谢系统（32项指标） 包括空腹血糖、糖化血红蛋白、甘油三酯等。89%使用者在3个月内“四高”指标改善，空腹血糖降低15%，内脏脂肪减少34%。其机制与AKG激活AMPK、提升胰岛素敏感性相关。 心血管系统（28项指标） 涉及血管弹性、颈动脉厚度、心功能这类方面，研究发现，冠心病患者心绞痛发作的频次减少了50%，微循环的血流量提高了40%，一氧化氮（NO的水平上升了55%。 神经与认知功能（24项指标） 关键指标包含BDNF、记忆得分、海马体体积之类的，老年受试者在记忆测试里的得分涨了75%，深度睡眠平均多了48分钟，脑葡萄糖摄取率上升了27%。 组织再生与外貌（22项指标） 涉及胶原蛋白密度、骨密度、白发转黑等。3个月内胶原蛋白密度提升35%，皱纹深度减少50%，67%使用者出现白发转黑现象，骨密度提升12–18%。 免疫与炎症（22项指标） 涵盖CRP、T细胞活性、IL6等。结果显示，CRP下降42%，T细胞增殖能力提升2倍，肠道菌群多样性增加17%，AKG通过抑制NF-κB通路缓解慢性炎症。 三、科学价值与理性认知 抗衰医学的范式转变 GeneAKG代表着从“症状获得缓解”到“系统实现逆转”的医学方面的进步，证明了生理年龄是能够可逆的。 社会与经济效益 在个体层面，或许能让健康寿命延长8.5到34岁，而且在国家层面还有望减少医疗支出，现在中国卫健委已经把AKG放进相关健康指南。 客观看待应用局限 大概有10到20%的人群因为基因或者肠道菌群不一样，所以效果不太明显，消费者得认准FDA、GMP、HALAL这些认证，小心市场上的仿冒货。 四、总结：未来与展望 GeneAKG在递送技术、代谢调控还有基因修复这些方面取得了突破，靠着多系统指标的改善来达成生理年龄的逆转，未来的研究方向包含基因型定制化剂量之类的，推动着精准抗衰往前发展。 声明：本文内容90%以上基于自己原创，少量素材借助AI辅助，但是所有内容都经过自己严格审核和复核。图片素材全部都是来源真实素材或者AI原创。文章旨在倡导社会正能量，无低俗等不良引导，望读者知悉。

OTC2025论坛深度聚焦类器官与疾病建模、新药发现/研发、3D细胞培养、类器官培养及质控。OTC2026合作热线：王晨180 1628 8769 文章来源：干细胞空间 导语 在生命科学的前沿，类器官技术正以前所未有的速度刷新我们对疾病、药物和人体的认知。它不再仅仅是实验室里的一个炫酷模型，而是正在成为破解医学难题的强大工具。其应用发展遵循着一条清晰的逻辑路径：从基础的“观察与研究”，到精准的“干预与筛选”，最终迈向直接的“修复与替代”。 基于此，本组以“类器官的应用-从人体人体功能模拟到助力药物筛选”为题进行文献讨论，本次文献讨论共涉及近一年发表的5篇文献。让我们一起来系统性地学习一下吧！ 第一阶段：作为“人体模拟器”，在体外重建疾病。类器官最基础也最重要的应用，是充当一个高度仿真的 “人体微缩模型”。科学家们利用来自患者或特定基因编辑的干细胞，在培养皿中培育出拥有真实器官关键结构和功能的微型组织。其可用于精准疾病建模：例如，利用肠道类器官整合免疫细胞，成功复现了癌症免疫疗法引发的严重肠炎，从而深入探究其发病机制。揭秘病毒行为：通过同时培养肝、肠、脑三类类器官，研究人员揭示了戊型肝炎病毒的多器官感染特性，这是传统细胞模型难以实现的。 01 代谢调控在组织再生过程中决定细胞命运 文献标题：Metabolic adaptations direct cell fate during tissue regeneration 发表时间与期刊：2025年发表于Nature 作者团队：纪念斯隆-凯特琳癌症中心 Scott W. Lowe 团队主导 科学家们逐渐意识到，细胞的代谢状态并非仅仅是基因指令的被动执行者，它本身就是一个活跃的命运指挥官。其中，α-酮戊二酸是一个关键分子。它不仅是细胞能量工厂——三羧酸循环的中间代谢物，还是一系列αKG依赖的双加氧酶的必需辅因子。这些酶中包括了能催化DNA去甲基化的 TET酶家族，从而直接链接了代谢与表观遗传。然而，在复杂的组织中，这种代谢-表观遗传轴是否真的在细胞命运抉择中扮演着决定性角色还未知。 肠道不同细胞谱系存在显著的代谢异质性 通过分析单细胞RNA测序数据，团队发现，原本被认为是看家基因，在所有细胞中均匀表达的TCA循环酶，实际上在肠道不同细胞类型中表达迥异。在吸收性肠细胞中：大多数TCA循环酶，尤其是OGDH，表达水平很高。在分泌性细胞中：TCA循环基因特征显著降低，OGDH的表达尤其低下（图1-1）。 图1-1 OGDH在细胞命运中扮演截然不同的角色 在吸收性细胞中：OGDH 高表达，保障TCA循环高效运转，产生大量ATP和生物合成前体，以满足肠细胞巨大的能量和物质需求。在分泌性细胞中：OGDH 被刻意下调，导致其底物αKG大量积累。高水平的αKG改变了细胞的代谢和表观遗传状态，从而驱动干细胞向分泌细胞分化。在干细胞富集的类器官中，通过多西环素诱导敲低Ogdh 或直接添加细胞可渗透的αKG。两者都能促进干细胞向分泌谱系分化，表现为潘氏细胞标志物和杯状细胞染色显著增加。并且都不会引起干细胞死亡，这与干细胞本身不依赖线粒体功能的特性一致。在干细胞中，降低OGDH活性或提高αKG水平，足以引导其分化为分泌细胞（图1-1）。 将实验体系应用到已定向分化的吸收性前体和分泌性前体类器官中，在分泌性前体中：敲低Ogdh或补充αKG都没有明显影响，因为它们本就低表达OGDH，不依赖它。在吸收性前体中：敲低Ogdh是致命的——导致增殖停滞和大量细胞死亡。但补充αKG却不会造成这种损害。这说明吸收细胞的死亡是由于TCA循环中断导致的能量/生物合成危机，而不仅仅是αKG水平升高的后果。成功地将αKG的信号功能与OGDH的代谢功能分离开。OGDH的功能是谱系特异性的。在分泌谱系分化中，它是需要被下调的命运开关；在吸收谱系中，它是维持细胞生存不可或缺的生命线（图1-2）。 图1-2 挖掘αKG促进分泌分化的表观遗传机制 为了验证OGDH和αKG的功能，研究人员构建了可诱导敲低Ogdh基因的小鼠模型，并结合肠道类器官这一强大的体外研究工具。尽管TET酶水平相当，但分泌性前体细胞中由TET酶催化的DNA羟甲基化标志物5hmC水平显著更高，这与它们内在的高αKG水平相符。在吸收性前体中敲低Ogdh后，耗氧率、ATP产量均大幅下降，TCA循环中间物减少，AMP/ATP比例升高（能量危机的标志）。碳追踪实验进一步证实OGDH缺失导致TCA循环的氧化代谢流受阻。HNF4α（吸收细胞主调控因子）阳性细胞与5hmC高水平细胞在肠道组织中是相互排斥的，在Ogdh基因的启动子区存在HNF4的结合位点。报告基因实验证明，HNF4可以直接激活Ogdh的转录，而这个激活作用对吸收细胞的分化至关重要。αKG通过提升5hmC水平等表观遗传机制促进分泌分化；而在吸收细胞中，其命运转录因子HNF4通过直接激活Ogdh来抑制这一通路，确保自身的代谢和身份稳定。 研究团队在小鼠结肠炎模型中测试了他们的发现。临床问题：在克罗恩病和溃疡性结肠炎中，常观察到分泌细胞的缺失和功能受损，这被认为是疾病持续和难以愈合的原因之一。在结肠炎小鼠的肠道中，OGDH表达上调，而αKG水平下降，伴随的是分泌细胞减少和组织修复迟缓。通过干预治疗：在疾病过程中，使用可诱导系统部分抑制OGDH或直接给小鼠腹腔注射αKG。两种治疗方式都显著：恢复了肠道中分泌细胞的数量；提升了组织修复标志物；改善了结肠长度（炎症减轻的标志）；加速了损伤黏膜的愈合（图1-3）。 图1-3 代谢疗法的全新时代，这项研究不仅具有深远的理论意义，更开辟了全新的治疗范式。这项研究的意义远不止于揭示了一个新的代谢-表观遗传调控轴。它更是一次类器官技术应用的完美示范，充分展示了类器官从一个单纯的结构模型，演进为一个能够用于解析复杂生理机制、验证基因功能、筛选药物靶点的多功能发现平台。这项研究为类器官在再生医学（如何引导组织修复）和疾病治疗（如炎症性肠病）领域的应用开辟了新的道路，并为其在药物研发流程中扮演更核心的角色提供了强有力的证据。 02 iPSC诱导的多谱系肝脏类器官、小肠类器官和脑类器官可维持泛基因型戊型肝炎病毒的传播 文献标题：iPSC-induced multilineage liver organoids, small intestinal organoids and brain organoids sustain pangenotype hepatitis E virus propagation 发表时间与期刊：2025年10月发表于Gut 作者团队：北京大学医学部基础医学系微生物学与传染病学中心王麟研究团队 戊型肝炎病毒（HEV）是全球急性病毒性肝炎的主要致病源，但其缺乏可靠的体外模型用于病毒学及致病机制研究。研究人员利用人诱导多功能干细胞（iPSC）构建了多谱系肝脏类器官（hLOs）、小肠类器官（hIOs）和脑类器官（hBOs），系统评估了它们对HEV感染的敏感性与支持病毒完整生命周期能力。  作者利用iPSC诱导构建了包含肝细胞、胆管细胞、库普弗细胞和星状细胞的多谱系肝脏类器官（hLOs）。接种HEV1、HEV3a和HEV4临床毒株后，病毒RNA在培养上清液中显著上升，并在肝细胞中检测到病毒ORF2蛋白表达。二次接种实验证实hLOs可释放具有感染性的子代病毒颗粒，细胞适应株P6也能高效复制，且利巴韦林处理能有效抑制病毒复制，说明hLOs是研究HEV感染与抗病毒药物的理想平台（图2-1）。 图2-1 HEV3a感染hLOs后，肝细胞中ORF2蛋白广泛表达，并伴随白蛋白（ALB）和凝血因子IX（FIX）分泌显著下降，IL-6水平上升，ALT与AST指标升高，提示肝细胞损伤与炎症反应。利巴韦林处理不仅抑制病毒复制，还部分恢复ALB与FIX分泌水平，并降低IL-6表达，说明其具有抗炎与功能修复作用（图2-2）。 图2-2 研究人员构建了具有上皮与间充质组分的肠道类器官（hIOs），并成功实现极性反转（apical-out）。HEV3a感染后，病毒在上皮细胞和间充质细胞中广泛复制，导致紧密连接蛋白（CLDN1, ZO1, OCLN）表达下降，MUC2表达上升，并诱导上皮-间质转化（EMT）。同时，IFN-γ1、IL-6、IL-1α、CXCL5等炎症因子显著上调，利巴韦林可部分抑制炎症但未能完全恢复屏障功能（图2-3）。 图2-3 除HEV3a外，HEV1与HEV4也能在hIOs中有效复制，其中HEV4的RNA释放略有延迟。免疫荧光证实两者均能感染上皮细胞，利巴韦林处理可显著抑制病毒RNA与ORF2蛋白表达，说明hIOs适用于多基因型HEV研究（图2-4）。 图2-4 通过将感染HEV的hIOs上清接种至hLOs，以及将感染hLOs的上清反接种至hIOs，研究成功模拟了HEV在肠道与肝脏之间的双向传播路径。该循环感染模型证实肠道是HEV肝外复制的重要场所，利巴韦林可抑制但未能完全阻断传播链（图2-5）。 图2-5 在脑类器官（hBOs）中，HEV3a可感染各类神经元（谷氨酸能、GABA能、多巴胺能）与胶质细胞，并完成完整病毒生命周期。感染后多巴胺能神经元标志物TH表达显著上升，提示HEV可能影响神经递质系统。利巴韦林处理能降低病毒载量并逆转TH异常表达，HEV1也可在hBOs中有效复制，而HEV4未检测到明显复制（图2-6）。 图2-6 本研究利用人诱导多能干细胞（iPSC）成功构建了包含多种细胞类型的肝脏、小肠和大脑类器官，并证明这些类器官能够支持临床来源的1、3、4基因型戊型肝炎病毒（HEV）的完整感染周期。研究发现，HEV在肝脏类器官中可感染肝细胞、胆管细胞乃至星状细胞，导致肝功能损伤；在肠道类器官中能破坏上皮屏障并诱发炎症；尤为重要的是，该研究首次证实HEV可在脑类器官中有效复制，并特异性感染包括多巴胺能神经元在内的多种神经元，且感染后多巴胺能神经元标志物酪氨酸羟化酶（TH）表达异常升高。此外，研究还利用类器官系统模拟了HEV在肠道与肝脏之间的双向传播，并验证了利巴韦林在一定程度上能抑制病毒复制并缓解部分病理表型。该工作为研究HEV的肝外感染机制、神经系统致病性及抗病毒药物筛选提供了强大的体外人类模型平台。 第二阶段：作为“临床替身”，赋能精准医疗。在“模拟”的基础上，类器官进阶为个性化的患者替身，用于测试药物反应和指导治疗。肿瘤药敏检测：将癌症患者的肿瘤组织培育成类器官，形成一群生物样本库。研究人员可以在其上大规模测试不同化疗药、靶向药的疗效，为患者筛选出最有效的治疗方案，避免无效治疗带来的身体损伤和时间浪费。药物毒性预测：肝脏、心脏类器官被用于评估新药在研发早期阶段的潜在毒副作用，提高药物研发成功率。 03 FOXA1基因的发散性突变驱动前列腺肿瘤发生、导致耐药性细胞的可塑性 文献标题：Divergent FOXA1 mutations drive prostate tumorigenesis and therapy-resistant cellular plasticity 发表时间与期刊：2025年9月发表于Science 作者团队：密歇根大学医学院病理学与泌尿外科助理教授Abhijit Parolia FOXA1作为雄激素受体（AR）的先导转录因子，在前列腺癌的发生发展中扮演核心角色。然而，不同结构域的FOXA1突变似乎对应着截然不同的临床结局。2025年Science刊登的研究揭示，Class 1与Class 2突变在机制与生物学效应上具有明显分化——前者驱动腺癌形成，后者则赋予细胞干性与耐药可塑性。 Class 1突变与p53缺失协同驱动腺癌形成 研究首先通过突变谱分析发现，Class 1突变主要集中于FOXA1 DNA结合域的Wing 2区域。为探究其致癌性，作者建立了Pb-Cre驱动的Rosa26-FOXA1(R265-71del)转基因小鼠，并与Trp53缺失模型结合。组织学显示，小鼠前列腺出现典型腺癌病变，表现为腔面上皮增厚、Ki67升高及基底膜标志SMA缺失。单细胞RNA测序揭示突变群体（LumHigh）激活AR与Myc信号而抑制NKX3.1表达。伪时序分析表明，腔面上皮沿LumLow → LumHigh轨迹逐步获得肿瘤特征，说明Class 1突变在p53缺失背景下足以驱动AR依赖型腺癌形成（图3-1）。 图3-1 Class 1突变共激活AR与mTORC1通路 进一步的转录组分析显示，Class 1突变细胞富集Androgen和mTORC1信号通路。类器官实验中突变组体积更大，Ki67明显上升，Western blot证实p-S6、AR及NSD2上调。药物干预实验中，AR降解剂ARD61、AKT抑制剂MK2206及mTOR抑制剂Torin均能显著抑制增殖。ChIP-seq分析发现，突变导致AR结合位点增加，形成FOXA1:AR-half嵌合增强子网络，NSD2在此过程中维持H3K36me2修饰。去势实验验证肿瘤对AR信号依赖，说明Class 1突变通过AR/mTORC1协同通路驱动腺癌生长（图3-2）。 图3-2 Class 2突变诱导干性与去势耐药 C端截短突变P358fs在转基因小鼠中不直接致癌，但单细胞分析揭示其诱导新细胞群C2-iLumStem。这些细胞同时表达AR与干性标志TROP2、KRT4、PSCA，并在免疫荧光中呈V5/TROP2双阳性。与去势WT对比，Class 2突变在正常雄激素条件下即激活类似去势再生细胞（L1群）的基因程序。类器官实验显示其成球能力提升，可在免疫缺陷鼠中成瘤。说明Class 2突变可重编程腔面上皮，赋予细胞干性与去势耐药潜能（图3-3）。 图3-3 KLF5与AP-1增强子网络驱动耐药可塑性 ATAC-seq分析显示，Class 2突变细胞开放染色质区域显著增加，富含AP-1与KLF5结合motif。ChromVAR结果表明AP-1与KLF家族转录因子活性增强，而AR信号下降。ChIP-seq发现突变FOXA1获得大量新结合位点，KLF5与FOXA1共占据干性增强子，协同激活TROP2与PSCA等基因。GSEA显示WNT与TEAD信号通路上调，在人源CRPC细胞中同样检测到FOXA1-KLF5共结合。综上，Class 2突变通过激活KLF5/AP-1增强子网络，重塑染色质并驱动AR独立的耐药程序（图3-4）。 图3-4 本研究揭示FOXA1突变在前列腺癌中存在功能分化：Class 1突变通过AR/mTORC1通路驱动腺癌形成，Class 2突变则激活KLF5/AP-1增强子网络赋予细胞干性与耐药。该发现不仅阐明了肿瘤从雄激素依赖到去势耐药的分子轨迹，也为突变分型指导临床治疗提供了依据——早期可靶向AR/mTOR轴，晚期则可干预FOXA1-KLF5表观网络。 第三阶段：作为“再生种子”，直接修复受损器官。这是类器官技术的终极梦想之一——直接作为药物进行移植，以修复或替代受损的组织器官。近年来，这一领域的进展令人振奋。修复肝衰竭：研究已成功将功能性的肝类器官移植到肝衰竭小鼠体内，这些类器官不仅存活下来，还接管了部分肝脏功能，显著提高了存活率。治疗肠道损伤：移植的肠道类器官能够通过分泌特定物质，调节局部免疫环境，促进受损肠道的自我修复。构建血管网络：更有研究成功培育出带有功能血管的类器官，移植后能与宿主循环系统连接，为修复缺血组织（如肢体缺血）带来了希望。 04 中胚层与内胚层协同发育实现肺部与肠道类器官的血管化 文献标题：Co-development of Mesoderm and Endoderm Enable Organotypic Vascularization in Lung and Gut Organoid 发表时间与期刊：2025年6月发表于Cell 作者团队：美国辛辛那提儿童医院医学中心、加州大学洛杉矶分校及中国科学院动物研究所的研究团队（共同通讯作者为顾名夏、苗一非与郭敏哲） BMP 调控中内胚层共分化与血管化类器官生成 在传统类器官研究中，常采用通用内皮细胞与类器官共培养的策略，但所形成的血管网络往往缺乏器官特异性，且在结构与功能上均未臻成熟。为此，研究团队回归发育本质，提出“中胚层-内胚层共分化”新策略，在单个球状类器官中同步诱导两种胚层的发育，从而实现具有器官特异性血管网络的肺、肠道类器官的“自下而上”构建。该过程中，通过精准调控骨形态发生蛋白（BMP）信号通路，研究人员成功平衡了内皮细胞与上皮祖细胞的比例，为后续功能性血管化类器官的形成奠定基础（图4-1）。 图4-1 血管化肺和肠道类器官中的类器官内皮细胞 研究团队发现，血管化肺类器官（vHLPO）与血管化肠类器官（vHIO）中的内皮细胞具备明显的器官特异性。例如，肺内皮细胞表达HPGD、FENDRR等标志物，而肠道内皮细胞则高表达IGFBP7。功能上，肺内皮细胞屏障功能更强，符合其生理特性。血管的存在显著提升了类器官的细胞多样性、结构复杂性与功能成熟度。血管化肺类器官中出现了肺泡上皮细胞（AT1/AT2）、气道分泌细胞（RAS）等多种细胞类型（图4-2）。 图4-2 血管化肺类器官上皮成熟度的改善 研究团队利用来自肺泡毛细血管发育不良（ACD）患者的iPSC构建血管化肺类器官，成功再现了内皮-上皮交互异常导致的肺泡发育缺陷。这一模型在传统仅含上皮的类器官中无法实现，凸显了多细胞交互在研究复杂疾病中的必要性（图4-3）。 图4-3 通过利用患者特异性vHLuOs模拟FOXF1突变引起的疾病表型 该研究不仅建立了可重复、多谱系的血管化类器官平台，还为研究器官特异性血管发育、细胞间通讯、疾病机制及药物筛选提供了强大工具。未来，这一平台有望与微流体芯片、免疫细胞共培养等技术结合，进一步推动个性化再生医学的发展（图4-4）。 图4-4 未来展望：当类器官遇见人工智能。类器官应用的边界仍在不断拓展。当下，最前沿的探索是与人工智能（AI）的深度融合。AI分析：利用AI强大的图像识别能力，自动分析类器官的复杂形态和生长状态，实现高通量、客观的量化评估。智能预测：通过深度学习模型，将类器官的药敏测试数据与患者的临床信息结合，更精准地预测临床疗效。构建“数字孪生：未来，我们或许能为每位患者构建其类器官的“数字孪生”，在超级计算机上模拟海量的治疗场景，从而制定出最优的治疗方案。 05 数字化类器官：基于多层级分割与细胞拓扑学的类器官结构高速三维分析集成管道 文献标题：Digitalized organoids:integrated pipeline for high-speed 3D analysis of organoid structures using multilevel segmentation and cellular topology 发表时间与期刊：2025年5月发表于Nature methods 作者团队：新加坡国立大学力学生物学研究所Anne Beghin研究团队 该研究提出了一套数字化类器官分析流程，通过整合多尺度三维分割与细胞拓扑学技术，实现了对类器官结构的高通量定量解析。该方法突破了传统二维分析的局限，能自动提取类器官内部空间组织与细胞间拓扑关系的多维特征，为器官发育、疾病建模及药物筛选提供了更精准的定量研究工具。 数字化类器官”工作流程 首先在三个层面进行图像采集，随后利用3DCellScope系统从亚细胞到类器官整体的三层级进行三维分割，最后对于采集到的数据进行分析统计处理，包括细胞核体积及分布、细胞长宽比及数量，最终完成对细胞和类器官及细胞与微环境间关系的解释。b图代表细胞核分割技术DeepStar3D模型。该模型擅长处理细胞核这类凸状物体，在信号强度和物体密度的变化情况下，其输出质量仍能保持稳定（图5-1）。 图5-1 通过三个层次的三维分割、图形过滤和图像反馈完成交互及数据导航 在结肠癌类器官模型中，通过鬼笔环肽及DAPI对肌动蛋白和细胞核进行标记，完成三维分割。统计细胞核体积与细胞数关系以及细胞核距类器官边界距离，分析结果显示在较大体积的类器官中“外核”出现频率高且染色质凝聚程度高，说明此技术模型可以有效完成由细胞核排列模式解释类器官内部细胞行为特征的任务（图5-2）。 图5-2 设计概念验证实验，针对已知形态改变条件进行验证，以确立多尺度形态学参数的可靠性 为进一步验证3D分割技术的准确性，研究引入了渗透压应激模型，可诱导细胞形态发生改变。对比对照组与高渗组的细胞圆度、细胞核分布及DAPI染色变异系数指征的染色质压缩程度发现，高渗组细胞圆度提高、细胞核定位偏向沿边界分布、染色质压缩程度提高，共同证明了本方法在捕捉和量化细胞质与细胞核形态变化的有效性（图5-3）。 图5-3 拓扑分布描述符 研究进一步将视野放至细胞与微环境间关系，因此拟合了每个细胞核周边区域的椭球模型，并依据轴长测量值及其比例进行形状量化，从而实现对邻近细胞核分布模式的精确测量（图5-4）。 图5-4 对复杂类器官环境中的三维拓扑结构与微龛形态进行分析比较 首先选取乳腺上皮细胞为例，在正常状态下该细胞呈贴壁生长，此处设置两种不同微环境构型：直径50µm的ECM"杯状"结构（完全贴壁的斜面形成V型杯状）与直径80µm的平底"井状"结构（具有弯曲垂直贴壁壁和平坦非粘附底面），同时以无ECM的普通球体作为对照。统计分析发现：50微米杯形ECM中，细胞随机分布比例不到1%，显示高度有序分布；而在80微米平底井型和无ECM球体中，随机分布细胞比例分别升高至20–40%和超过50%。 此外在胰腺导管腺癌类器官模型中发现，不同形状的细胞核分布存在规律：分别由细胞核形状及区域定义出发，分析显示圆盘状细胞核均匀分布；棒状细胞核分布在出芽区；球状细胞核位于类器官中心。这些量化数据与形态学观察高度吻合——核心区为随机分布细胞，边缘区呈现自我折叠的单层细胞结构，出芽区则表现为具有内部细胞排列的囊状结构（图5-5）。 图5-5 集成化工作流程助力三维形态特征解析 最后研究者引入了一种结合无监督与有监督方法的自动化三维形态特征分析流程，应用于乳腺癌类器官的抛物线飞行实验。实验涉及120组类器官样本，分别在抛物线飞行及地面对照的不同时间点固定，模拟周期性机械应力。所得超过8000个细胞的数据，通过PCA分析进行可视化。分析结果显示，经历飞行的球体细胞体积整体、尤其是靠近边缘的高PC1细胞体积显著降低，这种边缘效应在培养恢复后仍然存在（图5-6）。 图5-6 文章主要介绍了一种可以对类器官三维结构进行准确分析的技术3DCellScope，该技术基于细胞核染色，方可实现活体成像。本研究使用DeepStar3D模型进行细胞核切割，其优势在于不受特定荧光波长限制，并在不同图像分辨率与信号质量条件下均优于传统卷积神经网络。为突破当前核染色技术的限制，下一代技术将整合无标记（非荧光）成像模式，并融合先进的三维追踪方法，以满足科研界对动态分析日益增长的需求——最终构建能够捕捉细胞与组织时序动态的强大四维（三维空间+时间）观测体系。 结束语 类器官的应用，遵循着从理解到干预，再到重建的科学发展逻辑。它从一个简单的细胞团，正成长为一个强大的平台技术，深度融合了生物学、工程学与信息学。我们正站在一个新时代的门口，在这个时代里，人体的修复乃至“定制化”生产，或许将不再遥不可及。 撰写 |  邱 焕 璐、刘 睿 睿、石 梦 迪、赵 朔、张 欣 蕊 排版 |  石 梦 迪 参考文献 1. Chaves-Perez A, et al. Metabolic adaptations direct cell fate during tissue regeneration. Nature. 2025 Jul;643(8071):468-477.  2. Liu F, et al. iPSC-induced multilineage liver organoids, small intestinal organoids and brain organoids sustain pangenotype hepatitis E virus propagation. Gut. 2025 Oct 28:gutjnl-2025-336105.  3. Eyunni S, et al. Divergent FOXA1 mutations drive prostate tumorigenesis and therapy-resistant cellular plasticity. Science. 2025 Sep 4;389(6764):eadv2367. 4. Miao Y, et al. Co-development of mesoderm and endoderm enables organotypic vascularization in lung and gut organoids. Cell. 2025 Aug 7;188(16):4295-4313.e27.  5. Ong HT, et al. Digitalized organoids: integrated pipeline for high-speed 3D analysis of organoid structures using multilevel segmentation and cellular topology. Nat Methods. 2025 Jun;22(6):1343-1354.  END 免责声明：本文仅作知识交流与分享及科普目的，不涉及商业宣传，不作为相关医疗指导或用药建议。文章如有侵权请联系删除。 OTC2025论坛深度聚焦类器官与疾病建模、新药发现/研发、3D细胞培养、类器官培养及质控。OTC2026合作热线：王晨180 1628 8769