本期《Drug Target Review》的PODCAST節目中，我們節錄了「康寧生命科學』的高級應用科學家Hilary Sherman博士和『Molecular Devices|美商分子儀器』的試劑開發高級經理Oksana Sirenko博士的精采對話，對於3D成像技術如何填補對複雜細胞模型視覺化和分析的空白進行了深入淺出的剖析。不容錯過!!

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Drug Target Review · Episode 8 - Hilary Sherman, Corning Life Sciences & Dr Oksana Sirenko, Molecular Devices

Hilary跟Oksana都是領域裡研究3D細胞模型的行家，她們聊了聊為什麼用3D打造的微型器官能更貼近我們人體的真實反應，以及在把這些微型器官拍成照片、做分析的時候會碰到哪些棘手的問題。包括了這些微型器官在模仿人體反應、預測我們對藥物或疾病的反應上的優點，以及在觀察和分析它們的時候會遇到哪些難題。

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為什麼我們要用3D取代2D的模型呢？
類器官與其他3D模型有什麼區別？
類器官能應用在個人化醫療上嗎？
類器官的複雜之處在哪裡？
在類器官的成像和分析上，又有哪些挑戰？
類器官和成像技術的未來發展方向？

為何選擇3D而不是2D？

『真實性!!』

我們的身體構造不是二維平面，而是由各種細胞組成的三維系統。所有關鍵的生物活動，比如營養攝取、藥物運送、細胞訊息傳導，都是在這個立體系統中進行的。這就是為什麼那些只在平面上測試有效的藥物，可能到了我們的臨床階段，在人體試驗中就不管用了。而透過3D細胞模型，我們可以更準確地模擬藥物在真實世界的反應和療效了。

''2D和3D環境之間的這種歧異，部分解釋了, 為何許多在實驗室中看似有前途的藥物，在臨床試驗中遭遇失敗。''

類器官相對於其他3D細胞模型的優勢?

類器官與由少數細胞類型組成的球狀體(Spheroid)不同，擁有更多結構與複雜性。這些類器官源自幹細胞，能分化成多種細胞，類器官更模擬真實器官的結構。它們的細胞排列方式模仿了人體器官的特定方向性和內部空間。科學家常利用細胞外基質或膠原蛋白來培養類器官，以此來展示細胞之間的互動和正確排列。類器官因此非常適合於模擬特定器官功能。另外還有器官晶片(Organ-on-chip) 雖然目標相似，但在模擬人體組織和器官方面採取不同方法。器官晶片通常包含微型流體通道，能夠模擬血液或其他體液在器官中的流動，更著重於模擬器官的動態和生物化學過。而類器官則利用幹細胞的自我組織和分化的能力，模擬器官的組成和結構，類器官整體設計及操作上更為簡便。

肺的類器官影像

結腸直腸的類器官影像

類器官在個人化醫學上的應用？

YES，類器官非常適合應用於『個人化醫學/精準醫學』。特別是針對那些不同患者對治療反應差異極大的疾病，如在三陰性乳腺癌中的癌症亞型(不同基因型)，患者對化療的反應程度各不相同，在病患身上試誤不但可能錯過黃金治療時間，更會消耗大量不必要的金錢及醫療資源。

因此透過從患者身上取得活體樣本，製作生產PDOs(患者的源類器官，也稱為腫瘤類器官)後，可以允許科學家在實驗室中測試不同治療方法對此腫瘤的影響及副作用，大幅提高用藥的安全性和有效性。

類器官樣本的複雜性?

類器官的處理確實比較複雜。相比之下，據Hilary的描述，處理如球狀體這樣的簡單結構相對容易，因為它們可以在普通的培養皿中像二維細胞一樣培養。但當涉及到類器官時，情況就變得複雜許多。類器官需要特定的培養基配方，並且對昂貴試劑，如生長因子的需求也相對較高。一個具體的挑戰是使用Corning® Matrigel®基質作為細胞外基質（ECM），它對於建立類器官的完整性或極性至關重要。然而，Matrigel®的物理化學特性會隨溫度變化而波動，這使得液體操作變得困難，並且在對三維結構進行成像時需要進行特別的優化。此外，類器官的工作流程會因所涉及的器官類型而異。雖然大多數流程都從iPSCs分化成特定類型的前體細胞開始，但後續步驟則因不同的組織類型（如心臟、神經、肝臟或腸道）而有所差異。例如，製造腦類器官需要將iPSCs首先轉移到神經誘導培養基，然後再轉移到Matrigel®基質中。對於腸道或直腸類器官，則可能需要在特定形狀的微孔中使用水凝膠進行培養，這進一步增加了操作的複雜性。總的來說，類器官的複雜性來自於對特定細胞類型的精確模擬需求，以及維持三維結構穩定性的挑戰。這要求科學家不僅要理解不同細胞類型的特性，還要精通涉及多種材料和技術的複雜操作技巧。

人直腸器官樣體暴露於促炎細胞激素的高倍共焦显微镜图像。 F-actin（品红色）和DAPI（蓝色）的40倍单层平面图像。

3D生物學成像和分析的挑戰?

與傳統的2D生物學相比，3D生物學的要求更高，以下是常見的幾個面向。

類別	挑戰	解決方案
樣品及製備	1. 染色劑滲透困難 2. 需要更長的染色和固定時間	調整滲透緩衝液濃度、延長孵育時間或增加抗體濃度。對類器官樣本進行至少兩小時的染色孵育，固定時間至少兩小時，最好過夜
硬體層面	1. 影像扭曲和解析度下降 2. 樣品影像穿透深度不足	使用自動化水鏡系統，實現高通量+高解析力+高靈敏度的組合，提昇50%以上效率如ImageXpress® ConfocalHT.ai採用高功率雷射作為光源，降低激發光源能量損耗，可拍攝更厚樣品
軟體層面	1. 對焦難度加大，無法捕捉不同層次細節 2. 龐大的資料量及複雜的影像分析	使用雙自動對焦策略，維持可靠的焦點，不損失解析度運用如InCarta的高內涵應用深度學習/機器學習引擎提取表型變化信息，並歸結量化數據

類器官與成像技術的未來?

目前，類器官研究和成像技術正處於迅速發展的階段。儘管已有一些標準化的工作流程，但這些過程仍然需要大量手動操作，尤其是在細胞培養、染色、固定和成像等環節。

未來的展望

為了提高效率和實驗的可重複性，目前正在努力將以AI為基礎的自動化技術整合到類器官的研究中。奧克薩娜博士指出，自動化的重點不僅僅是成像和影像分析，而是涵蓋整個工作流程，包括液體處理、細胞培養、離心和數值讀取等步驟。目前，這些自動化解決方案還處於初期階段，但已有一些突破，例如Molecular Devices的Organoid Innovation Center (OIC)，提供了end-to-end的自動化標準化解決方案。

未來的類器官研究將更加依賴於自動化技術，這不僅提高實驗效率，也提升了數據質量和可靠性。自動化不僅限於實驗室內的物理操作，還將擴展到數據收集、分析和處理等方面。這意味著從細胞培養到成像和分析的每個環節都將更加精準和高效。此外，初始優化，即在研究初期深入了解特定類器官樣本的生物學和結構，將成為確保研究成功的另一關鍵因素。