在生命科學(xué)研究領(lǐng)域，類器官作為能模擬原生組織結(jié)構(gòu)與功能的 3D 細(xì)胞集合體，已成為疾病建模、藥物研發(fā)和再生醫(yī)學(xué)的核心工具。然而，傳統(tǒng)靜態(tài)培養(yǎng)難以滿足類器官對(duì)微環(huán)境的復(fù)雜需求 —— 營(yíng)養(yǎng)梯度失衡、氧供不足、成熟度低下等問(wèn)題，始終制約著類器官技術(shù)的突破。近年來(lái)，生物反應(yīng)器技術(shù)的快速發(fā)展為解決這些難題提供了全新方案，其通過(guò) 調(diào)控培養(yǎng)環(huán)境，讓類器官培養(yǎng)從 “被動(dòng)維持” 邁向 “主動(dòng)調(diào)控”。

近期，International Journal of Molecular Sciences期刊上一篇題為《Bioreactor Technologies for Enhanced Organoid Culture》的研究，對(duì)類器官培養(yǎng)領(lǐng)域的四種核心生物反應(yīng)器技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，為相關(guān)研究提供了關(guān)鍵的理論與實(shí)踐參考。

四類核心生物反應(yīng)器：各有專精的 “培養(yǎng)大師”

目前，應(yīng)用于類器官培養(yǎng)的生物反應(yīng)器主要分為四大類，它們憑借設(shè)計(jì)滿足不同研究需求：

圖1. 類器官培養(yǎng)常用生物反應(yīng)器類型

1. 攪拌式生物反應(yīng)器（SBR）：規(guī)?；囵B(yǎng)的 “效率擔(dān)當(dāng)”

攪拌式生物反應(yīng)器堪稱類器官大規(guī)模培養(yǎng)的主力。其核心是通過(guò)軸向或徑向葉輪的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生流體動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)基的均勻混合與高效傳質(zhì)。這種設(shè)計(jì)不僅能提升氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳遞效率，還能通過(guò)調(diào)控?cái)嚢杷俾?，為不同類型的類器官提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。

在實(shí)際應(yīng)用中，攪拌式反應(yīng)器已展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)：在腦類器官培養(yǎng)中，它能有效緩解靜態(tài)培養(yǎng)中常見(jiàn)的核心壞死問(wèn)題，促進(jìn)類器官體積增大和結(jié)構(gòu)連續(xù)性；而在肝類器官研究中，通過(guò) 85 RPM 的攪拌速率，可誘導(dǎo)肝細(xì)胞標(biāo)志物（如 CYP3A4、ALB）的高表達(dá)，其功能成熟度遠(yuǎn)超靜態(tài)培養(yǎng)組。不過(guò)，需注意的是，過(guò)高的攪拌速率可能產(chǎn)生剪切應(yīng)力，對(duì)視網(wǎng)膜等敏感類器官的精細(xì)結(jié)構(gòu)造成損傷，因此需根據(jù)細(xì)胞類型優(yōu)化參數(shù)。

圖2. 攪拌式培養(yǎng)瓶中類器官向功能性肝細(xì)胞的分化。類器官在攪拌式培養(yǎng)瓶或靜態(tài)對(duì)照組中分化12天。

2. 微流控生物反應(yīng)器（MFB）：微環(huán)境調(diào)控的 “ 工匠”

微流控生物反應(yīng)器以微米級(jí)通道和腔室為核心，通過(guò) 控制流體流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)、信號(hào)分子濃度梯度的精細(xì)化調(diào)控。其優(yōu)勢(shì)在于：一方面，可通過(guò)多通道設(shè)計(jì)同時(shí)引入不同培養(yǎng)基或試劑，模擬體內(nèi)復(fù)雜的生理微環(huán)境；另一方面，集成的傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) pH、氧氣濃度等參數(shù)，為研究提供動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)支持。

例如，在視網(wǎng)膜類器官培養(yǎng)中，微流控芯片通過(guò)多孔膜分隔視網(wǎng)膜類器官與視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞（RPE），并模擬體內(nèi)液體流動(dòng)，顯著促進(jìn)了光感受器外段結(jié)構(gòu)的形成 —— 這一結(jié)構(gòu)在靜態(tài)培養(yǎng)中極難生成。此外，肝類器官在微流控系統(tǒng)中可形成類似肝小葉的結(jié)構(gòu)，且白蛋白分泌等功能指標(biāo)維持時(shí)間更長(zhǎng)，為藥物代謝研究提供了更接近體內(nèi)的模型。

圖3. 使用簡(jiǎn)易三維灌注芯片系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)hiPSCs原位生成肝臟類器官的示意圖及芯片系統(tǒng)中hiPSCs分化為肝臟類器官的特征分析。

3. 旋轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)器：低剪切環(huán)境的 “模擬專家”

旋轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)器由 NASA 研發(fā)，其核心設(shè)計(jì)是通過(guò)容器的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生 “模擬微重力” 環(huán)境，在低剪切應(yīng)力下實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)基與類器官的充分接觸。這種設(shè)計(jì)特別適合對(duì)剪切力敏感的類器官，能減少機(jī)械損傷并促進(jìn)細(xì)胞間相互作用。

在視網(wǎng)膜類器官培養(yǎng)中，RWV 能加速其成熟進(jìn)程 —— 與靜態(tài)培養(yǎng)相比，視網(wǎng)膜類器官在 RWV 中可提前 1 周達(dá)到相同的成熟度，且基因表達(dá)模式更接近在體視網(wǎng)膜。此外，RWV 培養(yǎng)的神經(jīng)內(nèi)分泌類器官在移植后血管化能力顯著增強(qiáng)，這為類器官的臨床應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。不過(guò)，操作中需避免氣泡產(chǎn)生，否則可能因局部剪切力驟增影響培養(yǎng)效果。

圖 4. 不同培養(yǎng)條件下類器官的生長(zhǎng)情況。SSCi：完整類器官靜態(tài)懸浮培養(yǎng)；SSCd：分離的神經(jīng)視網(wǎng)膜靜態(tài)懸浮培養(yǎng)；RWV：分離的神經(jīng)視網(wǎng)膜旋轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)器培養(yǎng)。

4. 電刺激生物反應(yīng)器（ES）：功能成熟的 “激活利器”

電刺激生物反應(yīng)器主要通過(guò)電極施加特定頻率、振幅的電信號(hào)，模擬體內(nèi)電生理環(huán)境，促進(jìn)興奮性組織類器官的功能成熟。其核心優(yōu)勢(shì)在于針對(duì)性激活細(xì)胞信號(hào)通路，加速功能細(xì)胞的分化與成熟。

在心臟類器官研究中，電刺激（如 2 Hz 頻率）可顯著提升心肌細(xì)胞的肌節(jié)排列完整性和收縮同步性，甚至能誘導(dǎo)類器官適應(yīng)更高頻率的搏動(dòng)；而在神經(jīng)類器官培養(yǎng)中，電刺激能促進(jìn) neurite 生長(zhǎng)和突觸形成，對(duì)修復(fù)神經(jīng)損傷模型具有積極作用。目前，商業(yè)化的電刺激系統(tǒng)（如 IonOptix C-Pace）已實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化操作，而定制化系統(tǒng)則可通過(guò)電極材料和參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)一步提升刺激效率。

圖 5. 電刺激（ES）對(duì)原代神經(jīng)類器官的影響。

挑戰(zhàn)與未來(lái)：從實(shí)驗(yàn)室到臨床的進(jìn)階之路

盡管生物反應(yīng)器技術(shù)已取得顯著進(jìn)展，但其在規(guī)?；瘧?yīng)用中仍面臨挑戰(zhàn)：攪拌式反應(yīng)器的剪切力控制、微流控芯片的批量生產(chǎn)難度、RWV 的氣泡干擾問(wèn)題，以及電刺激參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化等，均需進(jìn)一步優(yōu)化。此外，如何實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)的融合（如 “微流控 + 電刺激”），構(gòu)建更接近體內(nèi)的復(fù)合微環(huán)境，將是未來(lái)的重要方向。

值得期待的是，隨著材料科學(xué)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，生物反應(yīng)器正朝著 “集成化、智能化” 方向演進(jìn)：集成傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)調(diào)控；3D 打印技術(shù)的應(yīng)用則能快速定制個(gè)性化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)；而類器官與生物反應(yīng)器的結(jié)合，不僅能推動(dòng)基礎(chǔ)研究的深入，還將為藥物篩選、個(gè)性化醫(yī)療提供更可靠的模型。

生物反應(yīng)器技術(shù)的進(jìn)步，正在重新定義類器官培養(yǎng)的邊界。從單純的 “容器” 到 “微環(huán)境調(diào)控平臺(tái)”，它不僅解決了類器官培養(yǎng)的技術(shù)瓶頸，更讓我們得以在體外 模擬生命活動(dòng)的復(fù)雜過(guò)程。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷迭代，類器官有望真正成為連接基礎(chǔ)研究與臨床應(yīng)用的 “橋梁”，為生命科學(xué)研究和疾病 帶來(lái)革命性突破。