傳統的二維（2D）細胞或組織培養長期以來一直被用于模擬機體的生理和病理過程，在食品科學研究中被廣泛采用，但2D細胞系通常被認為是非生理性的，且多是永生化的細胞，缺乏組織結構和復雜性。與傳統的2D細胞培養相比，類器官能夠更真實地再現器官的復雜性，如不同細胞類型間的相互作用及其空間排列。這使得類器官能夠更準確地反映食品成分或加工過程對人體的實際影響。

類器官是由干細胞或前體細胞體外培養形成的，包含組織器官特異性的多種細胞，能自我更新，具有特定器官關鍵結構和功能特性的三維（3D）細胞培養物。目前已有味蕾、食道、胃、腸、結腸、肝臟、視網膜、腎臟、骨骼肌、骨骼、皮膚和腦類器官被用作體外模型（圖1），研究食品功能性成分的作用機制、營養物質的吸收與代謝等。類器官作為一種革命性的研究工具，憑借其接近真實的生理結構與功能、減少動物實驗的優勢，以及能夠為食品安全、健康影響、營養吸收等方面提供精準數據，在食品科學研究中的應用前景廣闊。

北京工商大學食品與健康學院的馬愛進、白如進、周軍君等類器官在食品科學研究中的應用進展，旨在為研究人員能夠更高效、精確地評估食品對人體健康的影響，為食品研發和個性化營養提供強有力的支持。

01

類器官發展歷程

類器官的發掘最早追溯到1907年，Wilson進行了體外生物再生的第1次嘗試，證明了分離的海綿細胞可以自身組織再生整個生物體。30多年后，幾個小組又對此進行深入研究，從兩棲動物原腎和雞胚胎中分離出產生不同類型的器官。1964年，Steinberg提出了差異黏附假說，提出細胞的分化和重新編程可以用由差異表面黏附介導的熱力學進行解釋。1981年，誘導性多能干細胞（iPSCs）首次從小鼠胚胎中被分離和獲得，干細胞研究領域開始蓬勃發展。但是直到1998年，學者們才第1次能夠分離和培養來自人類囊胚的胚胎干細胞（ESCs）。隨后，通過對小鼠和人類成纖維細胞進行重編程，iPSCs得以建立，這對干細胞和類器官研究產生了重大影響。1987年，學者們開始通過模擬體內微環境改善細胞培養條件。Li Mingliang等證明在細胞外基質（ECM）提取物上生長的乳腺上皮細胞可以形成3D導管和管腔，與2D培養相反，它們似乎能夠合成和分泌乳蛋白。同樣，肺泡II型上皮細胞能夠在ECM存在下維持其分化，突出了細胞-基質相互作用在組織維持和分化中的重要性。當Eiraku等能夠使用3D聚集培養方法從ESCs生成大腦皮層組織時，類器官研究開始從2D轉向3D。2009年，Sato等進行了具有里程碑意義的研究，含有ECM表達的單個富含亮氨酸的重復序列的成體腸道干細胞，在缺乏間充質生態位的情況下，可以在基質膠中形成3D腸道類器官，并自組織分化為隱窩絨毛結構。這是第1篇關于建立來自單個成體干細胞（ASCs）的3D類器官培養的報道，這為后續許多類器官工作奠定了基礎。在接下來的幾年里，類器官構建的種類迅速發展，學者們使用ASCs或PSC在內胚層和神經外胚層中進行類器官的分化與培養，成功構建了胃、肝臟、胰腺、肺和腎臟類器官（源自內胚層）和腦、視網膜類器官（源自神經外胚層）。此外，隨著構建技術的不斷完善，海馬體、輸卵管、乳腺和前列腺等類器官也得到成功構建。2014年，類器官與芯片技術的結合開始取得實質性突破。Homan等的團隊開發了“人體器官芯片”技術，該平臺結合微流控技術、類器官模型以及生物材料，可以在微型芯片上模擬包括心臟、肺、肝臟等多個器官在內的復雜生物學過程。2019年，世界各地的研究團隊在血管化類器官方面取得了重要突破。哈佛大學的Wyss研究所通過自組裝技術成功構建了具備血管化的肝臟類器官，其在體外培養后，能夠模擬肝臟的多種功能，并具備一定的血管網絡。2020年，部分研究成功實現了大規模血管化腎臟類器官的構建，并能在體外維持較長時間的正常功能，接近于真實器官的微環境。2020年，已有研究成功在類器官中進行了基因修復，例如通過規律成簇的間隔短回文重復（CRISPR）-Cas9技術修復基因突變導致的代謝性疾病（脂肪肝類器官模型）。該模型為將來可能的基因治療提供了一個重要的研究平臺，能夠測試和優化基因修復策略在復雜組織中的效果。此外，學者們還嘗試在類器官中插入特定基因恢復其正常功能。例如，在小鼠模型的類器官中插入編碼特定酶的基因，從而治療因酶缺乏導致的遺傳病。2023年，類器官在個性化醫療中獲得廣泛應用，特別是在癌癥、神經退行性疾病等領域，通過患者來源的類器官模型進行精準藥物篩選和療效評估。總之，類器官技術在過去幾十年中取得了巨大進展（圖2），未來有望在食品科學、食品毒理學、功能性食品、疾病模型等領域發揮更重要的作用。

02

類器官構建與功能鑒定

類器官的構建與鑒定是應用前的重點。類器官的構建涉及多種細胞類型的精確組織和培養（圖3），鑒定過程需確保類器官是否具備類似原生器官的特性。通過精確的構建與嚴格的鑒定，可以確保類器官的可靠性與可重復性，進而為食品科研和應用提供重要支持。近年來，隨著技術的發展，腸道、肝臟和腦等類器官的構建方法與功能鑒定逐漸成熟。

2.1 腸道類器官構建與功能鑒定

2.1.1 腸道類器官構建

人腸道類器官是由人體正常腸道干細胞體外培養的、能夠自我組建、長期生長更新、且具有多種成熟腸道上皮細胞類型的類器官。在胚胎發育的早期過程中，腸道是由內胚層卷入胚體內形成原始的消化管（即原腸），需來自3 個初級胚層的細胞組裝而成。這一過程中，內胚層分化為前腸、中腸和后腸3 個部分。隨后，后內胚層發生廣泛折疊形成胚胎腸管，這些腸管隨后演變為小腸和大腸。接下來腸上皮細胞組成絨毛和隱窩結構。最終，發育成熟形成腸道。2009年，Sato等首次建立了由單個Lgr5干細胞長期3D培養腸道類器官的方法。腸道類器官大部分是通過培養其主要來源細胞的ASCs進行構建。從任何年齡的宿主中分離的腸道干細胞都可以在體外環境中進行3D培養，以構建具有宿主特異性遺傳學的腸道類器官。這些腸道干細胞保留了它們在腸道中原始位置的特征、宿主的遺傳和表觀遺傳突變，具有水、離子吸收和轉運等生理功能。類器官在含有Wnt激動劑脊椎蛋白1、表皮生長因子（EGF）和骨形態發生蛋白（BMP）抑制劑Noggin的基質中生長，形成隱窩絨毛結構，并能夠分化為所有腸道細胞類型，再現了體內小腸的組織和功能。Anania構建了一種包含組織駐留免疫細胞的人源腸道免疫類器官（IIOs）模型，并利用該模型研究腸道炎癥的機制和開發治療方法。該類器官包含自體組織駐留記憶T細胞（TRM），并模擬了腸道上皮細胞和免疫細胞之間的相互作用。TRM能夠主動侵入類器官并整合到上皮屏障中形成IIOs，從而在體外重建腸道組織中的免疫微環境。IIOs模型為研究腸道免疫反應和開發新的治療方法提供了新的工具，并有助于深入了解藥物對腸道的影響。構建腸道類器官的另一種方法涉及干細胞的定向分化，包括ESCs和PSCs。將ESCs和PSCs定向分化為內胚層細胞，再進行3D培養。PSC來源的腸道類器官是一種復雜、耗時且高度特異性的發育方案。這個過程需要以精確的劑量和時間添加特定的生長因子，從而引導PSCs形成3D腸上皮結構。這種方法也被用于生成人類前內胚層和后內胚層類器官，包括胃、小腸和結腸類器官。

2.1.2 腸道類器官功能鑒定

在成功構建腸道類器官后，需要對其形態、細胞組成、標志物和功能進行鑒定。首先對形態進行鑒定，一般情況下，人腸道類器官在光學顯微鏡下應為囊球狀或芽體狀，中間為空腔，外側為緊密接觸的柱狀上皮細胞。空腔及與外界交界處的邊緣清晰，細胞透亮。人腸道類器官正常核型應為46, XY或46, XX，細胞總數為1×104～2×105 個/類器官，它們的大小為0.5～2 mm不等。在細胞組成方面（表1），人體小腸類器官中應含LGR5陽性的腸干細胞、KI67陽性且LGR5陰性的短暫擴增性細胞、ALPI陽性的吸收型腸上皮細胞、MUC2陽性的杯狀細胞、LYZ陽性的潘氏細胞和CHGA陽性的腸內分泌細胞。且吸收型腸上皮細胞的數量占比應不低于30%。人體大腸類器官中應含LGR5陽性的腸干細胞、KI67陽性且LGR5陰性的短暫擴增性細胞、ALPI陽性的吸收型腸上皮細胞、MUC2陽性的杯狀細胞和CHGA陽性的腸內分泌細胞。且杯狀細胞的數量占比應不低于30%。在標志基因方面，人腸道類器官應檢測到腸干細胞中的標志基因LGR5、杯狀細胞中的標志基因MUC2、吸收型腸上皮細胞中的標志基因ALPI、腸內分泌細胞中的標志基因CHGA、增殖細胞中的標志基因MKI67的表達。其中小腸來源的類器官還應檢測到潘氏細胞標志基因LYZ的表達。針對類器官的功能鑒定，主要有以下方法：杯狀細胞功能評估：黏蛋白測試；溶菌酶測量：堿性磷酸酶和溶菌酶染色；類器官活力評估：鈣黃綠素-乙酰氧基甲基酯染色法；吸收功能評價：福司柯林測定。在功能指標方面，人體小腸類器官中應檢測到堿性磷酸酶及溶菌酶，人體大腸類器官應檢測到黏蛋白。

2.2 肝臟類器官構建與功能鑒定

2.2.1 肝臟類器官構建

肝臟發育源于內胚層上皮，進一步產生肝芽結構，再產生肝母細胞，隨后產生肝細胞和膽汁上皮組織。PSCs是一種可以自我更新并分化為特殊細胞類型的細胞，具有分化的全能性。有研究顯示PSCs通過激活素A的作用被誘導到肝內胚層細胞中，然后響應成纖維細胞生長因子（FGF）和BMP的發育信號通路完成分化。當使用基質膠在3D培養條件下生長時，這些細胞能夠產生類器官，并且可以分化形成成熟的功能性肝細胞。此外，與基質細胞共培養，人臍靜脈內皮細胞和人間充質干細胞（MSCs）都具有干細胞潛力，可以幫助來自PSCs的肝臟內胚層細胞向肝臟類器官衍生。

2.2.2 肝臟類器官功能鑒定

為了將成功構建的肝臟類器官用作體外模型研究，需要滿足一定的質量要求，包括它們的大小、每個類器官的靶向細胞數、細胞組成、基因表達和功能測定。

首先，人PSCs來源的肝臟類器官直徑應在100～500 μm的范圍內，細胞/類器官的數量應超過1 000 個。在細胞組成方面，肝實質細胞應占主導（通常70%以上）。肝臟類器官的評估方法見表2，使用流式細胞術測量血漿白蛋白（ALB）的表達水平進而定量評估肝類器官中肝細胞的比例。此外要進一步進行基因表達和功能檢測。肝臟類器官需要在RNA和蛋白質水平表達肝臟特異性功能標志物，包括ALB、肝細胞核因子4α（HNF4α）和主要藥物代謝酶，例如細胞色素P450酶（CYP3A4、CYP1A2、CYP2C9和CYP2D6）。可使用的具體技術如下：使用實時聚合酶鏈式反應（real-time PCR）定量評估肝臟特異性基因表達，然后檢測類器官培養物上清液中的蛋白質水平，這能從一定水平上反映類器官的肝臟功能。使用酶聯免疫吸附試驗（ELISA）檢測肝臟類器官合成和分泌血清蛋白，例如ALB和α1-抗胰蛋白酶（AAT）。或者可以使用液相色譜-串聯質譜（LC-MS/MS）進行相對定量分析以評估肝細胞功能。該方法能夠定量評估ALB蛋白水平，并將其與對照進行比較。此外，藥物誘導后可以測量藥物代謝酶的活性。氨基酸代謝產生的氨去除過程是重要的肝功能之一，這一過程通過尿素的產生進行觀察。肝臟類器官還具有積累糖原、吸收和排泄吲哚氰綠（ICG）及排泄膽汁的能力，因此可以分別使用糖原染色和ICG染色進行定性評估。

2.3 腦類器官構建與功能鑒定

2.3.1 腦類器官構建

腦類器官中的神經組織在體內由外胚層發育而來。PSCs和ESCs具有分化的全能性，所以，可以在體外刺激PSCs或ESCs發育為擬胚體（EB）。許多先前的研究已經證明了在添加堿性成纖維細胞生長因子（bFGF）的ESC培養基中成功分化為EB。此外，大劑量的Rho相關蛋白激酶（ROCK）抑制劑的添加可以減少細胞死亡。Acharya等發現將ESC接種于超低貼壁（ULA）96 孔板的每個孔中會提高EB的誘導效率。EB的后續神經誘導培養基與先前研究創立的培養基非常相似，用來誘導神經玫瑰花結（神經上皮細胞的2D極化組織）。

在體內環境，神經外胚層分化成放射狀組織的神經上皮細胞，該神經上皮細胞擴張形成各種大腦結構。類似地，在體外培養中，使用促進神經上皮細胞分化的培養基培養的類器官也能夠重現這一發育過程。此階段的培養基成分主要用來維持和促進神經干細胞（nNSC）和神經玫瑰花結生長。這些方法都證實了神經基質培養基和B27添加劑對NSC分化和存活的重要性，也有研究表示添加β-巰基乙醇和胰島素對NSC生長有積極作用。

腦類器官構建的一大難點是實現大腦3D空間組織，從而最大程度模擬各種大腦區域的發育和生長，解決方法是將神經上皮細胞轉移到基質膠中，可實現3D培養。最近的一些研究表明，PSCs在神經組織發育過程中具有強大的自組織能力。因此，3D培養可以很大程度激發神經組織向腦組織發育，從而模擬體外的“腦器官”。體外神經外胚層可以自發地獲得類似神經上皮的放射狀組織，類似于神經玫瑰花結的形成。同樣地，EB的神經外胚層也會自發地建立頂芽極性，形成神經上皮。很多研究表明，在由基質膠組成的水凝膠內可以形成復雜的組織上皮。同樣地，這種方法在神經外胚層誘導的EB中也適用。將EB包埋在水凝膠內后，連續神經上皮的芽從EB中伸出，很大程度地模擬了大腦的結構。此外，需要注意的是，攪拌是腦類器官構建過程中的關鍵步驟。盡管基質膠促進了神經上皮芽的擴張，但由于類器官的迅速生長，固定培養方式會限制氧氣和營養物質擴散，導致中心形成深色壞死組織。針對這種現象，旋轉生物反應器已應用在許多組織工程中，并且能夠明顯促進組織的存活和進一步的發育。所以使用旋轉蒸發器或軌道搖床設備可以更好地實現腦類器官的3D培養，同時一定程度上促進腦組織的完整發育。

2.3.2 腦類器官功能鑒定

通常采用顯微鏡和蘇木精-伊紅染色等方法觀察類器官的特征，包括細胞形態、組織結構等。培養2 周后，由于此時組織太大，很難使用標準組織培養顯微鏡檢查整個類器官，所以需要使用解剖顯微鏡或立體顯微鏡觀察組織大體形態。不同時期腦類器官的形態鑒定如下：1）分化前PSC或ESC在培養基中顯示出典型的多能形態、邊界清晰、質地均勻。2）第5天的EB出現外胚層分化的現象，如存在變亮的表面組織，而中心非常暗，具有致密的非外胚層組織。EB還具有光滑的表面，表明組織健康。3）第10天的早期類器官出現光滑的邊緣和明亮的光學半透明表面組織，與神經外胚層一致。這種類器官還包含不徑向組織的外胚層組織的小芽。4）2 周后，包埋在基質膠中類器官的神經上皮芽是光學透明的，其他非神經上皮的生長物和遷移細胞也是可見的。組織在液滴內顯示為白色小斑點。5）4 周左右的類器官具備許多大的神經組織，具有更大的體積。

在腦類器官生物標志物檢測方面，通常通過蛋白免疫印跡、real-time PCR、免疫熒光、流式細胞術等方法檢測類器官是否表達特定的生物標志物，這些標志物可以反映類器官的發育狀態、功能特性等（表3）。1）在4～5 d左右，可以通過real-time PCR或免疫熒光檢測EB的標志基因Oct4、Nanog。2）基質膠包埋后類器官的大尺寸需要通過切片和免疫組織化學染色進行分析。在早期經冷凍切片處理，Sox2或Pax6基因的表達標志著神經上皮形成。3）1 個月后，類器官開始表現出神經元分化，以神經元特異性III類β微管蛋白（Tuj1）或雙皮質素（DCX）蛋白表達為標志，在此階段可以看到許多不同的大腦區域，包括以叉頭蛋白轉錄因子1（Foxg1）染色為標志的前腦，以及以Prox1和卷曲類受體9（Fzd9）染色為標志的海馬體。此外，皮質區域呈現典型祖細胞區的特征，顯示由Sox2星型膠質細胞填充的腦室區。深層神經元以Reelin和T-box腦轉錄因子（Tbr）1為標志，神經祖細胞以Tbr2為標志，兩者可以在腦室區附近的區域被檢測到。

另外，在腦類器官中，人大腦皮質類器官是由人PSCs或NSC分化而來，通過體外培養和自組裝，分化產生多種大腦皮質細胞類型（包括皮層神經元、中間祖細胞、放射性膠質細胞）。人大腦皮質類器官的形態為類球狀，光學顯微鏡下觀察可見邊緣清晰，內部有多個層狀“玫瑰花環樣”結構。在細胞組成方面，人大腦皮質類器官應檢測到神經干/祖細胞標志基因：FOXG1/PAX6、FOXG1/SOX2；人大腦皮質類器官應檢測到大腦皮質中II-VI層皮層神經元標志基因：REELIN、TBR1、CTIP2、CUX1、SATB2、BRN2、GLUT2、TUJ1。人大腦皮質類器官中應同時包含SOX2及PAX6雙陽性的放射狀膠質細胞、EOMES陽性的中間前體細胞、REELIN陽性的皮層神經元細胞。人大腦皮質類器官中應包含大腦皮質中II-VI層皮層神經元細胞：CUX1陽性的皮層III-II神經元細胞、TBR1及CTIP2陽性的皮層VI-IV神經元細胞、SATB2陽性的皮層IV-II神經元細胞、BRN2陽性的皮層II-III及V神經元細胞、TUJ1陽性的神經元細胞，各層神經元細胞有序且分層排列。另外，人大腦皮質類器官分化時間超過72 d時，TBR1陽性的皮層神經元細胞陽性率應不低于20%；CTIP2陽性的皮層神經元細胞陽性率應不低于20%；BRN2陽性的皮層神經元細胞陽性率應不低于3%；SATB2陽性的皮層神經元細胞陽性率應不低于3%。同時，大腦皮質類器官應具備成熟神經元的電生理活性。

03

食品研究中類器官的應用

類器官能夠進行更廣泛且可靠的分析，并且比2D培養具有更高的生物學相關性。從腫瘤研究到營養吸收，3D類器官在許多研究領域都有不同的應用。藥物和食物的發現與開發需要可靠的體外模型，類器官模型分化來自具有體內類似生理學的人源細胞，可以縮小基于細胞的藥物測試、動物測試和人體臨床試驗結果之間的差距。目前，在食品中研究較多的是應用類器官模型對營養物質的吸收代謝、食品中成分對疾病模型的干預以及食品添加劑和其他毒性物質對正常類器官的影響。其中，研究集中在腸道類器官模型，其主要用于功能性食品的研究，特別是關于營養吸收、代謝和細胞反應的影響，如對腸道各種細胞的促炎和抗炎作用。此外，肝臟類器官和腦類器官也用于評估食品中有害物質的毒性以及疾病模型的建立。總地來說，腸道、肝臟和腦類器官在人體內承擔著關鍵的生理功能，并且與食物的消化、代謝和神經影響密切相關。通過在類器官模型中研究這些器官對食品成分的反應，能夠更全面、精確地評估食品對人體健康的影響，為優化食品配方和開發功能性食品提供科學依據。因此，選擇這3 個類器官作為研究重點，是對食品科學中重要問題進行深入探索的有效途徑。

3.1 食品研究中腸類器官的應用

腸類器官模型優于2D培養物，因為它的吸收增加、細胞類型的異質性和新陳代謝增加，因此對藥物和營養保健品的生物反應更準確。除了微量金屬、維生素和大量營養成分外，近年來，腸類器官模型還被用于確定各種營養保健品和食品添加劑的潛在影響。

3.1.1 食品添加劑和功能性食品對腸道安全性評估測試

腸類器官模型可以應用于食品中添加劑的檢測，以進一步了解添加劑可能對腸道產生的影響。例如，日落黃（SY）是軟飲料、甜點、餅干、果醬等中常見的食用色素，但目前仍缺乏關于SY的人體內研究。Cai等利用腸道類器官研究SY對小腸的影響，結果顯示SY過度暴露增加了小腸氧化應激和炎癥水平。Stanton等以咖啡酸、味精、VC、姜黃素和間羥基苯丙酸為研究對象，測量了暴露于不同濃度不同飲食成分條件下的小鼠腸道類器官的生長速率。結果表明，隨咖啡酸濃度的提高，其對類器官生長抑制作用增強。然而，姜黃素效果相反，味精在高濃度條件下抑制類器官生長，VC對類器官生長沒有影響，間羥基苯丙酸顯示出輕微地抑制生長。學者們也將這些成分作用于2D培養物，如Prasad等報道，咖啡酸以濃度依賴的方式在體外抑制纖維肉瘤細胞系，較高的咖啡酸濃度對HT1080細胞的細胞毒性作用增強，且高濃度的咖啡酸可能通過增加細胞毒性和抑制隱窩增殖等影響腸道類器官。MacDonald等研究發現低劑量的VC對Caco-2細胞中VC轉運蛋白SVCT1沒有顯著影響，高劑量作用下蛋白表達水平會降低。Fong等觀察到姜黃素不會傷害正常細胞，推測姜黃素可能用于抑制癌癥細胞生長，同時刺激正常細胞增殖。此外，3D模型顯示，間羥基苯丙酸可能不以影響生長速率的方式影響細胞。Liu Yilin等使用小鼠3D腸道類器官和活體小鼠作為模型進行研究，發現尿苷導致每個腸道類器官的隱窩數量顯著減少。尿苷顯著降低腸道類器官中尿苷標志物的mRNA表達和蛋白質水平。以上研究可以為開發維持腸道穩態的新型功能性食品生物活性物質提供有益的參考。腸道類器官可以模擬3D腸道組織的結構和功能，能夠反映出更接近人體內環境的生理現象。相比于2D細胞培養，腸道類器官具有更真實的細胞排列、細胞間相互作用、營養物質交換等特點，更能準確預測功能性食品或食品添加劑對腸道的影響。目前，類器官模型在功能性食品研究中尚未得到廣泛應用，但已有研究證明它們在解釋吸收機制和生長速率方面具有重要作用。盡管腸道類器官能夠模擬腸道的某些功能，但目前的技術尚未完全重現成人腸道的所有功能，特別是在免疫反應、微生物群落作用研究等方面仍有局限性。

3.1.2 腸道疾病的治療與修復

腸道健康會受到具有促炎和抗炎特性食物成分的影響。乳糜瀉是一種廣為人知的疾病，過度接觸麩質類食物會導致腸道炎癥。一項研究將乳糜瀉患者活檢培養的腸道類器官暴露于微生物群衍生的丁酸、乳酸和多糖等物質中，結果顯示上皮的屏障功能得到改善，并降低了乳糜瀉衍生類器官中醇溶蛋白誘導的促炎特性。利用腸道類器官模型可以模擬中藥在腸道內的作用過程，觀察其對腸道細胞功能修復、腸道微生物平衡等方面的作用，從而更準確地評估中藥的療效。這有助于解決傳統研究中由于動物和人體生理差異導致的療效評估不準確的問題。腸道內的微生物群落對食物的消化和吸收起著重要作用。類器官技術可以用來構建模擬人體腸道微環境的模型，研究食品（尤其是益生菌、膳食纖維等）與腸道微生物群落的相互作用，有助于揭示食品對腸道健康、免疫系統及微生物生態的影響。

3.1.3 營養物質與微量元素的吸收代謝

模擬食品在消化道中的處理過程，了解不同食品成分（如脂肪、蛋白質、糖類）在消化系統中的分解與吸收機制，有助于研究食物對人體健康的影響，特別是在消化吸收效率、營養價值及代謝路徑等方面。為了驗證腸類器官對脂肪酸的吸收效果，Zhang Wen等使用熒光脂肪酸類似物，將類器官與5 μmol/L染料孵育30 min，然后用4’,6-二脒基-2-苯基吲哚（指示細胞核）固定和染色類器官。通過熒光顯微鏡觀察到腸類器官中顯示強烈熒光信號，發現腸類器官可以從周圍培養基吸收脂肪酸類似物。Wang Xianli等利用小腸類器官模型比較了3種嬰幼兒配方奶粉與母乳樣本的營養吸收代謝情況，采用轉錄組和代謝組測序方法分析差異表達基因和差異表達代謝物，同時也論證了小腸類器官作為體外吸收消化模型的有效性。研究礦物質和痕量金屬的吸收和分布較難，主要在2D和離體組織樣品中進行，但存在局限性，無法確定對整個器官的作用且很難通過2D細胞找到聯系。然而，這個問題可以通過類器官模型克服，這些模型有助于深入了解細胞生態位中的痕量金屬和礦物質水平，對健康發育至關重要。懷孕和早期胚胎發育期間的鐵、鋅、銅和錳等微量金屬攝入對胎兒腦部發育至關重要。微量金屬對于各種器官中的作用可以用類器官模擬。腸道類器官被證明在結構上受Zn元素生物利用度的影響，腸道類器官在Zn缺乏條件下生長發育導致了絨毛/隱窩樣結構形成的減少，Zn的缺失很可能與胃腸道類器官中的細胞黏附和屏障形成受損相關。

綜上，與功能食品研究中的動物模型相比，腸類器官中包含多種不同類型的腸道細胞（如上皮細胞、內分泌細胞、免疫細胞等），這些細胞在3D環境中能夠相互作用，模擬更復雜的生理過程，而2D細胞培養通常只能提供單一類型的細胞或有限的細胞間互動。由于類器官具有類似腸道的結構，可以更好地模擬食品和添加劑的吸收過程，尤其是對于腸道屏障的研究，能反映不同食品成分對腸道屏障的影響（例如腸道滲透性、炎癥反應等）。未來研究可以結合腸類器官模型，以研究感興趣的功能性食品化合物的吸收行為。

3.2 食品研究中肝臟類器官的應用

3.2.1 疾病模型的建立

肝臟類器官模型可以用于模擬肝臟疾病，如非酒精性脂肪肝病（NAFLD）和酒精性肝病（ASH）。這兩種疾病雖在發病機制上有所不同，但都涉及脂肪代謝紊亂、肝細胞損傷以及炎癥反應等關鍵因素。表4對肝臟類器官模型應用于NAFLD和ASH模擬的效果進行了比較。通過在培養系統中添加游離脂肪酸、胰島素以及單糖，可以初步模擬肝臟的脂肪變性。例如，Azevedo等利用人PSCs在體外誘導分化形成包含肝細胞、星形細胞、膽管細胞的復雜類器官體，通過在培養的系統內添加游離脂肪酸，模擬脂肪肝炎的主要特征。上述使用肝臟類器官建立的疾病模型可以在食品研究中提供不同的應用效果，篩選有助于肝臟健康的食品成分，并為預防和治療相關疾病提供理論依據。

3.2.2 代謝途徑探究和毒性測試

肝臟類器官模型為代謝途徑的探究和毒性測試提供了強大的工具。這些模型可以用于評估食品添加劑和其他化學物質的安全性，特別是天然產物提取物，其包含眾多復雜的化學成分，尋找其中真正起作用的物質是一項艱巨的任務。肝臟類器官模型可以為有效物質篩選提供一個高效的平臺，其可以模擬肝臟的代謝功能，將天然提取物作用于肝臟類器官，通過分析肝類器官的代謝反應、基因表達變化等指標，可以篩選出有效組分，大幅提高了篩選的準確性和效率。傳統的食品安全測試通常依賴動物實驗，類器官可以作為更具倫理性和高效的替代方案。通過構建消化道類器官或肝臟類器官，能夠模擬食品中的有害成分（如重金屬、農藥殘留、非法添加劑等）對人體的毒性反應。這種體外模型可以減少動物實驗的依賴，提高測試的精準性，并且還可以用于新型食品成分（如植物蛋白、人工甜味劑、食用香料等）的安全性評估，通過類器官技術在更接近人體的環境中進行，確保這些成分的長期食用安全性。

3.2.3 食品營養成分代謝與健康研究

通過肝臟類器官，可以模擬和研究食品中的脂肪、糖類、蛋白質等營養成分如何在肝臟中代謝，從而為食品配方優化、功能性食品開發提供科學依據。這些研究有助于開發具有肝臟保護作用的食品和保健品。研究人員可以測試食品中的成分（如多酚、維生素、礦物質等）對人體健康的潛在益處。例如，類器官技術可用于研究某些食品成分（如綠茶中的茶多酚、藍莓中的花青素）如何通過肝臟代謝或增強抗氧化能力從而改善人體健康。

肝臟類器官模型為食品科學提供了一個強大的研究工具，有助于更好地理解食品成分對肝臟健康的影響，并為開發新的食品提供了可能性。

3.3 食品研究中腦類器官的應用

腦類器官主要用于評估藥物和環境毒素的發育神經毒性。以往用嚙齒動物和動物模型對人類神經毒性的預測效果不佳，傳統利用永生化細胞系2D培養物的體外模型也因無法模擬整個發育過程的產物而受限。相比之下，類器官的結構化3D人類神經組織可以評估發育過程中祖細胞增殖、神經元分化、遷移和網絡形成等過程中的毒物。然而，目前腦類器官直接應用于食品領域的研究比較少，本課題組也致力于這方面的研究，目前在用類器官模型研究提取的核桃油不皂化物對神經元細胞分化與生長的影響。在未來，腦類器官模型在以下幾個方面有很大的應用潛力。

3.3.1 腦部發育與認知功能

腦類器官能夠模擬人類大腦的發育過程，用于研究食品成分對大腦發育和認知功能的影響。例如，通過添加特定食品成分（如ω-3多不飽和脂肪酸）至腦類器官培養基中，可以觀察這些成分對神經元生長、突觸形成和神經傳遞的影響。例如，研究VE和二十二碳六烯酸對腦類器官的保護作用，以及它們如何改善認知功能，可以探索食品如何通過分子途徑影響大腦功能，例如，K?be等研究了白藜蘆醇如何通過改善糖代謝和提高海馬體連通性從而提高認知功能。

3.3.2 疾病模型的建立

腦類器官可以用于建立神經退行性疾病模型，如阿爾茨海默病（AD）和帕金森病（PD），以研究食品成分對這些疾病的潛在保護作用。例如，通過誘導特定的病理特征，如β-淀粉樣蛋白（Aβ）沉積模擬AD病理過程，并用于測試食品成分的效果。最近，Zhang Shuai等利用腦類器官模型探究了一種從人參中提取的4.7 kDa多糖對Aβ病理和AD癥狀的影響。研究結果顯示，這種多糖可能通過激活線粒體自噬作用形成一種神經保護劑。可以減少Aβ誘導的氧化應激反應，并且在模擬AD的跨物種模型中表現出對Aβ聚集的抑制作用。腦類器官作為一種創新的研究工具，能夠有效地模擬神經退行性疾病的發生和發展，為食品研究提供了重要的實驗平臺。食品中的天然成分如抗氧化劑、抗炎成分、神經保護物質等在腦類器官中表現出不同程度的神經保護作用，為評估食品在預防和治療神經退行性疾病的潛力方面提供了新的視角。盡管存在一些局限性，但腦類器官無疑為神經退行性疾病的食品干預研究帶來了革命性的突破。

3.3.3 毒性評估檢測

腦類器官可以用于篩選和評估食品添加劑、藥物和化學物質對神經系統的潛在毒性。通過在腦類器官中測試這些物質，可以更準確地預測它們對人類大腦的影響，從而提高食品安全性評估的準確性。最近很多研究評估了類器官對各種神經毒物的反應。例如，抗抑郁藥帕羅西汀會抑制神經祖細胞增殖。食物中或來自環境中的甲基汞、砷和鎘會改變神經分化；魚藤酮會導致更高水平的活性氧、神經突生長受損和突觸生成。腦類器官也被用于研究毒品對腦神經的影響，相關研究闡述了暴露于尼古丁、甲基苯丙胺和長期接觸大麻（四氫大麻酚）對腦發育腦神經危害性。

綜上所述，腦類器官在食品科學研究中具有巨大的應用潛力，可以為研究食品對認知功能的影響與腦發育、腦健康提供有力的工具和模型。

04

食品研究中類器官模型與其他前沿技術整合應用的前景

類器官模型作為一種前沿技術，目前已與多種尖端技術相結合，展現出巨大的應用潛力。類器官芯片通過融合類器官和芯片技術的優勢，模擬生理的組織微環境，實現對干細胞行為和類器官形態發生的精準調控。類器官芯片利用微流控技術精確控制流體流動與機械信號，建立動態模型，實現比傳統靜態細胞培養更加仿真的效果。

4.1 類器官芯片

類器官芯片是一種結合類器官技術和微流控芯片技術的創新平臺，旨在模擬人體器官的微環境和功能。其基本原理是通過微型化系統重現器官的結構和功能。類器官芯片可通過微流控通道系統精確控制液體的流動；采用多細胞共培養技術整合多種細胞類型，模擬器官中不同細胞之間的相互作用；使用3D細胞排列技術，使得細胞可以在立體空間中生長并形成類似器官的結構，增強細胞的功能表現。類器官芯片通常由4 個部分組成：1）微流控通道，這是芯片的核心部分，通常由透明的材料（如二甲基聚硅氧烷（PDMS）或其他生物兼容材料）制成，通過細微的通道將液體傳送到培養區，模擬血液或其他體液的流動。2）細胞培養區，在微流控通道周圍有專門的區域用于培養特定類型的細胞。細胞通常被固定在這些區域中，并在流動液體的作用下保持生理活性。3）傳感器與監控系統，許多類器官芯片上集成了傳感器，用于實時監測細胞的狀態、代謝活動、pH值、氧氣濃度等。這些傳感器有助于學者們在實驗過程中獲取實時數據。這項技術不僅在基礎研究中具有廣泛的應用潛力，還在食品質量控制、藥物篩選、毒性測試、疾病模型和個性化醫學中顯示出巨大的潛力。

其中，味覺類器官與芯片技術結合可以模擬人的感知能力。Wu Jianguo等利用味覺類器官與細胞外電位傳感器陣列耦合，形成一種新型生物電子類器官，并開發了一種味覺類器官芯片系統（TOS），用于高度模擬離體生物味覺，具有高穩定性和可重復性。味覺類器官在第3次傳代后保持關鍵味覺受體表達，并在芯片上培養7 d內保持高細胞活力。最重要的是，TOS不僅能區分酸、甜、苦和咸的刺激，而且還通過信號特征提取和主成分分析方法識別不同濃度的刺激。基于量化味覺感知的能力，TOS可以用作食品工業（如葡萄酒、啤酒等）的生物傳感器。例如，葡萄酒的質量通常由訓練有素的專家和儀器（如傅里葉變換紅外光譜、質譜和一系列傳感器）相結合進行評估。然而，這些評估手段既昂貴又耗時，或者無法獲得葡萄酒的真正味道。使用味覺類器官作為感覺受體，TOS可用于從人類的角度更精準地描述葡萄酒，并在一定程度上代替人類。因此，TOS作為評估手段可以更好地應用于食品開發，以及食品風味物質分析。

此外，腸類器官與芯片技術結合可以探索腸上皮和細菌之間的復雜相互作用，進一步研究腸道細菌與腸道健康的聯系。Bein等將活體人腸上皮細胞（使用來自人回腸手術活檢的原代上皮細胞）與需氧和厭氧人腸道微生物群共培養。該團隊使用PDMS雙通道微流體平臺，在厭氧環境中培養芯片，成功地實現了高度復雜的厭氧/需氧人類共生腸道細菌群落與產黏液人絨毛腸上皮的共培養，并建立了腸上皮生理氧梯度。此腸道芯片可能有助于開發與微生物組相關的益生菌和營養保健品。未來，腸道類器官芯片技術會有無限的可能性和潛力。腸道類器官芯片能夠更加精細地模擬細胞間相互作用、微生物群落變化以及食物吸收和代謝過程。此外，胃腸道類器官芯片也將在營養科學、炎癥性腸病以及腸道微生物研究等領域開辟新的路徑，為深入理解人體健康和疾病提供全新的視角。總之，腸道類器官芯片技術可為生物醫藥行業提供重要助力，推動食品科學和健康科學發展。

4.2 微流控技術

微流控是使用微管道（約10～1 000 μm）處理或操縱微小流體（體積在pL～nL水平）的系統所涉及的科學和技術，是一門涉及多方面的新興交叉學科。微流體技術經常用于控制細胞微環境和設計器官芯片系統。研究人員將微流控技術與腦類器官培養相結合，通過微流體系統實現了對分化信號分子和氧擴散的精確控制，這兩者長期以來被認為是腦類器官開發的主要障礙。此外，微流控技術還增強了對形態發生素梯度的調控能力，使得學者能夠在高精度水平上研究發育階段和分化過程，例如神經管運動神經元分化。該技術的應用為腦類器官研究提供了新的工具和方法。通過微流體促進氧氣在整個大腦類器官中擴散，顯著減少壞死核心，增加多巴胺能神經元數量，提升分化效率。同時，微流控設備也實現了對許多類器官參數的精確控制，例如大小/形狀和培養基灌注速率（包括營養和生長因子供應），從而提高了可重復性。此外，許多微流體平臺與常見的成像設置兼容，允許進行實時類器官成像和監測。微制造系統用于對大腦類器官在數周發育中的折疊動力學進行成像和分析，并且使用受控灌注的芯片類器官模型能夠評估尼古丁暴露對發育的影響。這些平臺不僅能夠在整個大腦類器官發育過程中進行實時成像，還能精確控制微環境，從而在研究早期發育、發育疾病以及毒性作用時顯著提高實驗的可重復性。

微流控技術通過精確設計通道幾何結構、使用流體驅動系統和壓力控制系統、調節通道阻力、設計流體分配網絡、集成傳感器進行實時監測和反饋控制，以及使用數值模擬和優化技術，實現對流體流速和剪切力的精確控制。這些技術手段使得微流控芯片能夠模擬體內復雜的流體力學環境，為生物醫學研究提供強有力的工具。通過將微流控技術與類器官技術結合，形成類器官芯片，可以更好地模擬體內環境，推動疾病研究、藥物篩選和個性化醫療的發展。

05

食品研究中類器官模型應用面臨的挑戰及發展方向

類器官技術為多樣化應用提供了充足的條件，并為生物醫學、食品科學等領域創新提供了思路。然而，未來的研究仍需要解決許多問題。例如，類器官缺乏成熟組織結構所需的定向線索，尚未能夠長出真實器官的大小，不能自我生成營養和血管化，并且缺乏基本的器官特異性細胞（特別是免疫細胞，它們是免疫系統的一部分，幫助身體對抗感染和其他疾病）。此外，它們的產生是異質性的，會誘發類器官的變異性和升級問題。類器官的構建和應用還面對倫理問題。雖然類器官的技術為醫學研究帶來了巨大突破，但其應用仍然面臨很多挑戰，包括類器官與真實器官的差異、培養條件的標準化、規模化生產等問題。

5.1 血管化障礙

由于類器官缺乏血管系統，營養物質和氧氣的擴散效率低，特別是在類器官中心區域。這導致細胞可能處于缺氧狀態，影響其活力和功能。缺乏血管化的類器官難以有效移除代謝廢物，這可能導致細胞應激反應和毒性增加，干擾實驗結果的準確性。體內血管提供的生理信號，如生長因子和細胞因子，對細胞分化和組織成熟至關重要。類器官缺乏這些信號，會導致發育不完全。為了克服這個問題，需要為類器官的灌注設計一種新的策略。其中腦類器官與內皮細胞共同嵌入基質膠中可使類器官血管化。最近研究報道，將類器官移植到動物體內后，宿主形成了血管，有助于類器官氧氣和營養物質的運輸。類器官技術的主要組成部分之一是促進其發育的基質，基質膠和基底膜提取物等在不同批次之間具有差異性，從而影響結果的可重復性。此外，它們可能會對免疫反應系統產生影響。

未來的研究可能集中在精細調控血管化的信號通路、構建可持續的血管結構、提高生物打印技術的精度，以及開發維持長期血管的方法，從而更好地支持不同類器官的生長和功能。

5.2 系統化挑戰

許多疾病的發生都是多器官系統共同作用完成的，傳統的單個類器官雖然能夠較為真實的模擬體內單個器官的環境，但是對于多系統發生的疾病仍然存在一定的缺陷。因此，構建多系統協同作用的類器官成為解決這個問題的方向。

單器官模型旨在重建該器官的關鍵功能單元，盡管這些單獨的模型提供了有關靶器官生理反應的有用信息，并克服了動物模型的倫理和轉化限制，但它們往往無法復制人體中自然形成的不同組織和器官之間的相互作用。因此，需要開發能夠模擬人類復雜生理反應和器官間相互作用的多過程系統，以支持疾病建模和食品類物質的干預測試或篩選。為了填補這一空白并提供準確的體內樣反應，過去幾年出現了包含不同互連代表性組織的多器官芯片。例如，腸道和肝臟微生理系統可相互連接，用于模擬腸道屏障破壞和肝臟損傷，以研究腸道-肝臟軸的自身免疫和炎癥驅動因素（如微生物組衍生的短鏈脂肪酸）。此類模型可以闡明多器官炎癥性疾病的潛在機制。除了對疾病進行建模和機制研究外，還可利用多器官平臺研究各種營養物質隨時間推移在全身吸收和代謝過程。

未來的研究可更深入地了解不同類器官之間的相互作用、開發更復雜的多器官模型，以及實現更高級的系統控制方法，從而更精細地模擬整體生理系統和擴大應用范圍。

5.3 標準倫理層面的挑戰

類器官培養過程缺乏成熟的方法和標準化程序，限制了其發育和成熟。在類器官的培養過程中，細胞的來源、培養基的成分、培養條件的控制等因素都會影響類器官的形成和功能。缺乏統一的標準化程序和方法學體系，使得不同研究團隊之間的實驗結果難以相互比較和驗證，也增加了類器官技術在臨床應用中的不確定性。為了解決類器官技術面臨的挑戰，需要加強標準化工作和法規制定。未來，需要建立統一的類器官培養方法學體系和標準化程序，以確保類器官的質量和功能。此外，還需要加強國際合作和交流，共同制定類器官技術的標準和規范，推動類器官技術的發展和應用。

類器官培養需要強化倫理底線意識，提倡公眾參與治理，并遵循倫理原則：人的福祉、尊重、負責、透明、公眾參與和利益共享。在類器官的培養和應用過程中，涉及人體細胞和組織的使用必須遵守相關的倫理規范和法律法規。然而，類器官的使用和儲存引發了新的倫理問題，包括道德與法律的建立、某些應用所要求的器官成熟度、類器官是否具有生命屬性，以及是否應當給予特別保護等。

5.4 未來發展方向

未來，類器官在食品科學中有望在以下幾個方面得到應用，隨著類器官技術的成熟，食品生產商可以利用類器官模型測試食品中的各種成分及其對人體的潛在影響，為食品安全監管和質量控制提供更加精準和高效的方法。類器官可能成為食品行業常規的安全性測試工具。其次，在食品功能性研究與疾病干預方面，類器官技術的應用將推動功能性食品研究的發展。通過模擬食品成分對特定器官（如肝臟、腸道等）的影響，學者們能夠開發出更多具有抗病功能的食品。尤其是在慢性病防治（如心血管疾病、糖尿病、癌癥等）領域，類器官提供了新的研究平臺，有助于推動個性化食品和精準營養的制定。另外，隨著全球食品供應鏈與可持續發展，類器官技術可能在食品創新中發揮重要作用，尤其是在替代蛋白質（如培養肉、植物蛋白）等領域。通過使用類器官技術，可以更好地模擬不同食物成分的生物學反應，推動生產更多符合可持續發展目標的食品。

06

結 語

綜上所述，類器官模型通過模擬人體內的消化和代謝過程，有助于研究食品成分的功能評價和腸道保護作用，分析功能性食品和藥物成分的攝取、運輸和代謝過程，評估食品成分的安全性和功能。通過模擬人體內的各個器官反應，類器官不僅能夠評估食品成分的安全性，還能夠推動創新食品的開發，促進食品行業向更加精準、個性化和可持續的方向發展。目前，類器官技術在食品科學領域的應用尚處于初步階段，但隨著技術的不斷進步，未來有望在食品安全、營養學、個性化飲食、功能性食品等多個領域發揮重要作用。

作者介紹：

馬愛進教授

北京工商大學食品與健康學院

馬愛進，教授，博導，國務院政府特殊津貼專家。主要研究領域包括食品及生物技術、標準化等。近年來，主持了科技部國家重點研發計劃項目“生物產業共性技術標準研究（2016YFF0202300）”、科技部國家重點研發計劃課題“核桃產業關鍵技術研發與新產品創制（2022YFD1600402）”、國家自然科學聯合基金重點項目“甲殼類水產食品致敏原譜系及其腸道微生物關聯的致敏分子機制研究（U23A20266）”、國家自然科學基金項目“蝦類肌質鈣結合蛋白及其亞基的過敏原性與構效關系的研究（31972184）”、中國科學院戰略性先導科技專項子課題“器官重建與制造類細胞標準化質量特性研究（XDA16040501）”等30余項科研項目；主持和參加國家標準100余項，獲省部級科技成果獎14 項，主編和參編書籍15 部，在

N

ature Communications

Food Hydrocolloids、Food Chemistry

本文《類器官在食品科學研究中的應用進展》來源于《食品科學》2025年46卷第12期1-13頁，作者：馬愛進，白如進，周軍君，賈英民。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20241231-274。點擊下方閱讀原文即可查看文章相關信息。

實習編輯：李雄；責任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網

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為貫徹落實《中共中央國務院關于全面推進美麗中國建設的意見》《關于建設美麗中國先行區的實施意見》和“健康中國2030”國家戰略，全面加強農業農村生態環境保護，推進美麗鄉村建設，加快農產品加工與儲運產業發展，實現食品產業在生產方式、技術創新、環境保護等方面的全面升級。由 中國工程院主辦， 中國工程院環境與輕紡工程學部、北京食品科學研究院、湖南省農業科學院、岳麓山工業創新中心承辦， 國際食品科技聯盟（IUFoST）、國際谷物科技協會（ICC）、湖南省食品科學技術學會、洞庭實驗室、湖南省農產品加工與質量安全研究所、中國食品雜志社、中國工程院Engineering編輯部、湖南大學、湖南農業大學、中南林業科技大學、長沙理工大學、湘潭大學、湖南中醫藥大學協辦的“ 2025年中國工程院工程科技學術研討會—推進美麗鄉村建設-加快農產品加工與儲運產業發展暨第十二屆食品科學國際年會”，將于2025年8月8-10日在中國 湖南 長沙召開。

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