类器官在糖尿病及其并发症研究中的应用：病理机制解析、药物发现与再生治疗潜力

糖尿病是全球高发的代谢性疾病，以持续性高血糖为核心特征，长期病程会引发视网膜病变(DR)、肾病(DN)、神经病变等多器官并发症，严重威胁患者健康。当前糖尿病研究依赖传统二维细胞系(如 HepG2 肝细胞系)和动物模型(如小鼠、非人灵长类)，但存在显著局限：细胞系缺乏器官级的结构与功能完整性，无法模拟多细胞互作;动物模型与人类在代谢路径、药物响应(如 AAV 转导效率、肝毒性)上存在物种差异，且难以复现人类糖尿病的供体间遗传异质性。

类器官作为三维体外模型，可从人多能干细胞(ESC/iPSC)或成体干细胞分化而来，复现目标器官的细胞组成、空间结构及核心功能(如胰腺类器官的胰岛素分泌、视网膜类器官的层状结构)，且能携带患者特异性遗传背景。这类模型为解析糖尿病及其并发症的病理机制、开展精准药物筛选及探索细胞移植治疗提供了新型工具，成为弥补传统模型缺陷、推动糖尿病研究转化的关键平台。

来自中国医学科学院药用植物研究所、道地药材国家重点实验室的团队在《Frontiers in Pharmacology》上发表题为Organoids: their emerging essential role in pathological mechanisms and drug discovery of diabetes and its complications的综述。

核心内容如下：

糖尿病核心器官类器官构建

胰腺类器官：细胞来源包括小鼠 / 人胚胎胰腺组织、成人胰腺组织、人多能干细胞(hPSC);通过添加 KGF(FGF 家族因子)、SANT1(Hedgehog 抑制剂)、视黄酸诱导胰腺祖细胞(NKX6.1+/PDX1+)，结合微流控动态培养、胶原 VI 基仿生 ECM 或与内皮细胞共培养促进成熟;通过检测胰岛素(INS)、C 肽表达及葡萄糖刺激胰岛素分泌(GSIS)验证功能。

视网膜类器官(ROs)：以 hPSC 为来源，添加 BMP/Wnt 抑制剂(Dkk1、Noggin)、IGF1、9 - 顺式视黄酸诱导视网膜祖细胞分化，采用无外源因子的两步无血清培养形成视杆 / 视锥细胞、神经节细胞等层状结构，复现血视网膜屏障(BRB)特性。

肾脏类器官：细胞来源为 hPSC、成人 / 胎儿肾组织、尿液细胞;诱导肾单位祖细胞形成肾小囊、近曲小管等结构，通过动态流培养、与 HUVEC(人脐静脉内皮细胞)/MSC(间充质干细胞)共培养促进血管化，模拟高糖诱导的肾脏病理改变。

肠道类器官：从成人肠道隐窝 Lgr5 + 干细胞或 hPSC 分化而来，用 Wnt3a+EGF+Noggin+Rspondin1(WENR)培养基维持干细胞特性，诱导分化为含肠内分泌细胞的结构，检测 GLP-1 分泌功能。

脂肪类器官：以 hPSC 或脂肪间充质干细胞(hADSC)为来源，过表达 PPARγ、CEBPB 等转录因子诱导棕 / 白色脂肪细胞分化，与内皮细胞共培养构建血管化脂肪组织，通过检测瘦素分泌验证功能。

肝脏类器官：从 hPSC 或成人肝细胞分化，诱导肝细胞、星状细胞、枯否细胞共培养，模拟肝脏糖代谢、脂肪肝病变等特征。

类器官应用技术路线

病理机制研究：构建患者 iPSC 来源的类器官(如单基因糖尿病患者的胰腺类器官)，结合高糖 / 炎症因子处理模拟疾病微环境，通过 RT-qPCR、免疫荧光、电生理检测解析分子机制。

药物筛选：建立肝 - 胰岛类器官共培养、胰腺脂肪类器官等模型，采用 Incucyte、Opera Phenix 等系统检测药物对细胞活力、代谢指标(如 AST、ATP)、炎症因子(IL-6、MCP-1)的影响。

细胞移植治疗：将 hPSC 分化的胰腺祖细胞、重编程的肠道胰岛素分泌细胞等移植入糖尿病模型小鼠，监测血糖变化及移植细胞的存活与功能。

糖尿病并发症研究方法

DR 模型：用高糖处理 ROs 模拟 BRB 损伤，检测紧密连接蛋白表达、屏障功能;通过视网膜类器官筛选靶向 HIF、UPR(未折叠蛋白反应)的药物。

DN 模型：高糖诱导肾脏类器官，检测基底膜厚度、纤维化标志物(TGF-β1、SMAD3)，验证胆汁酸受体激动剂等药物的抗纤维化效果。

关键结果

图 1：糖尿病及其并发症研究相关的类器官类型

该图为示意图，横向覆盖与糖尿病直接相关及并发症相关的核心类器官(胰腺、肠道、肝脏、脂肪、肾脏、视网膜、血管类器官)，纵向对应疾病研究方向 —— 胰腺类器官聚焦胰岛素分泌障碍，肠道类器官关注 GLP-1 分泌，肾脏 / 视网膜类器官分别针对 DN、DR，血管类器官模拟糖尿病血管病变。图示清晰呈现 “器官 - 疾病” 对应关系，直观体现类器官对糖尿病多器官累及特征的覆盖能力。

图 2：类器官的细胞来源与优化成熟策略

该图分三模块解析类器官成熟关键手段：

基质优化：对比天然基质(Matrigel、胶原、层粘连蛋白)与合成基质(PEG、PLGA)，指出天然基质生物相容性高但批次差异大，合成基质可定制力学特性(如 Amikagel 促进胰腺类器官 INS 表达)，提升实验重复性。

细胞与因子调控：通过共培养免疫细胞 / 内皮细胞、添加 Wnt/FGF/BMP 等可溶性因子，促进类器官内细胞互作与功能成熟(如 HUVEC/MSC 共培养促进胰腺类器官血管化)。

技术整合：结合微流控(器官芯片)、3D 生物打印、单细胞测序等技术，解决类器官供氧不足、成熟度低的问题(如微流控动态培养提升胰腺类器官 PDX1/NKX6.1 表达)。

图 3：类器官在糖尿病领域的应用框架

该图以 “疾病建模 - 药物筛选 - 再生治疗” 为核心框架，展示三大应用方向：

疾病机制研究：包括分子机制(如 miR-144 调控肝脏胰岛素抵抗)、组织生物学(如胰腺 β 细胞缺氧适应)、移植前评估(如类器官免疫排斥规避);

药物研发：涵盖个性化药物筛选(基于患者类器官匹配药物)、药物毒性评估(如肝类器官检测降糖药肝毒性);

再生医学：聚焦细胞替代治疗，如胰腺类器官、重编程肠道胰岛素分泌细胞的移植应用。

图 4：各类型类器官的现存局限

该图分器官列举类器官技术瓶颈：

胰腺类器官：细胞组成比例与人体差异大、缺乏免疫细胞、移植后胰岛素分泌量不足;

视网膜类器官：缺乏完整视网膜层状结构(如脉络膜毛细血管)、无法模拟晚期 DR 病变;

肾脏类器官：无功能性肾小球滤过功能、血管网络不完整、难以模拟晚期 DN;

肠道类器官：无法复现肠道隐窝周围信号梯度与神经 - 肌肉网络、缺乏微生物互作;

脂肪类器官：难以模拟体内脂肪组织的异质性、成熟度不足(如棕色脂肪细胞 UCP1 表达低);

肝脏类器官：细胞成熟度低、缺乏完整血管网络、无法完全模拟肝脏代谢功能。

全文总结

本综述系统梳理了糖尿病及其并发症研究中各类器官模型的构建方法、应用场景及技术局限，核心发现包括：

1)成功构建胰腺、视网膜、肾脏等多类糖尿病相关类器官，可复现目标器官的结构与功能(如胰腺类器官的 GSIS、ROs 的 BRB)，且能体现供体间遗传异质性;

2)类器官在病理机制研究中揭示了单基因糖尿病(如 ONECUT1 突变导致 β 细胞分化障碍)、并发症(如 DR 的 UPR 失衡)的关键分子机制;

3)在药物筛选中验证了二甲双胍、替尔泊肽(GIP/GLP-1 双激动剂)等药物的疗效，且能实现 “患者特异性” 药物匹配;4)在细胞移植中，hPSC 来源的胰腺祖细胞、重编程肠道胰岛素分泌细胞移植可逆转糖尿病模型小鼠高血糖。

当前局限性主要包括类器官血管化不足、缺乏免疫细胞(无法模拟炎症相关病理)、成熟度仅达胎儿期水平(难以模拟晚期疾病)。未来需通过多细胞共培养、生物打印血管网络、整合微流控技术等方式，进一步提升类器官的生理相关性，推动其从基础研究向糖尿病精准治疗转化。