Front Bioeng Biotechnol：从手工养到自动化量产——iPSC分化肺类器官的“起跑线”之争有了答案

新药研发向来是个高风险的买卖。从细胞实验走到临床试验，十个候选药物里有九个会倒下。原因很多，但有个痛点绕不开：实验室里用的疾病模型，跟人体真实的组织结构和细胞构成差得太远。

类器官技术让科学家看到了希望，在培养皿里就能长出具有三维结构的微器官。但问题也来了，这些类器官大多靠手工养，批次之间良莠不齐，产量也上不去，想用来做高通量药物筛选，还差着一大截。

搅拌式生物反应器被寄予厚望，被认为是解决量产难题的关键设备。不过，当诱导多能

干细胞

进了这个自动化系统之后，第一个需要决策的工艺问题就摆在眼前：细胞是直接在反应器里分化，还是先聚一聚，形成拟胚体再说？这个起点的选择，直接关系到最终类器官的质量。

Front Bioeng Biotechnol


最近刊登的一篇文章给出了参照。研究团队之前已经验证过一条比较成熟的路线：先把诱导多能干细胞培养成拟胚体，完成预分化，再转到生物反应器里扩增培养，能稳定拿到质量不错的肺类器官。这一次，他们换了个思路，把拟胚体这步整个拿掉，将扩增好的诱导多能干细胞以单细胞悬液的形式直接送进反应器，分化全程都在罐子里完成。

28天之后，结果见分晓。直接分化的方案确实长出了肺样的结构，但个头偏小，形态上像一个个囊泡，看不到正常肺组织里那种复杂的分支结构。

免疫

荧光染色可以看到这些细胞确实表达肺泡上皮的标志物，比如TTF1、HOPX和AQP5，但间质细胞的标志物ACTA2只是零星冒头，整个组织的细胞构成相当单一。

图1 实验设计及形态学表征

转录组测序从分子层面把这件事说得更清楚。跟起始的诱导多能干细胞相比，收获的类器官里多能性基因NANOG和OCT4已经大幅回落，肺泡谱系相关的基因如KLF5、SOX9、ID2都明显上调。然而，近端支气管的标记基因FOXJ1，表达水平远远赶不上远端肺泡标记ID2，说明分化方向出现了明显的偏斜。

图2 肺类器官的分子特征分析

单细胞转录组测序把分辨率拉得更高。13个主要的细胞亚群当中，肺泡相关的细胞群占了大头，里面既有正在增殖的肺泡祖细胞，也有正在向一型或二型肺泡上皮分化过渡的细胞。成纤维细胞、杯状细胞、纤毛细胞虽然也能找到，但纤毛细胞数量很少，而且绝大多数处在比较幼稚的阶段。跟先做拟胚体再分化的方案比起来，直接接种获得的类器官里，近端气道的细胞和间质细胞的比例明显偏低，细胞整体的分化状态更加原始，干性标志物的表达也分散在各处，没有集中在特定区域。

图3 肺类器官的细胞组成解析

同样是在反应器里养，为什么起点不同，出来的东西差别这么大？问题就出在拟胚体这个环节。拟胚体阶段给细胞提供了一个多胚层协同发育的小环境，肺的发育从来不是上皮细胞单打独斗的事，它需要上皮和间质之间来回对话、互相诱导。少了这一环，间质细胞跟不上，支气管这类近端结构就发育不起来，类器官的成熟度自然要打折扣。

研究给出的结论很清楚：至少在当前这套反应器体系里，拟胚体预分化这道工序省不得。省了虽然流程缩短，但付出的代价是类器官的细胞多样性和结构完整性都会受损。对于正在跑类器官规模化生产这条路的研发团队来说，这个发现算是个很实在的提醒。接下来值得尝试的方向，比如在半固体培养基里促进拟胚体更好地形成，或者对FGF10、维甲酸这类分化信号做更精细的时序调控，说不定能在反应器里一步到位，做出细胞类型更均衡的类器官。

（

生物谷）

参考文献：

Budeus B, Cremer L, Sevindik ZF, Klein D. Generation of alveolar organoids from human induced pluripotent stem cells using a stirred-tank bioreactor.

Front Bioeng Biotechnol

. 2026;14:1858660. Published 2026 Aug 5. doi:10.3389/fbioe.2026.1858660