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造血类器官 (Hematopoietic Organoids) 研究报告

报告日期： 2026 年 3 月 22 日
研究领域： 干细胞生物学、类器官技术、血液与免疫系统疾病建模
报告类型： 文献综述与技术方案

执行摘要

造血类器官是从造血干细胞 (HSCs)、诱导多能干细胞 (iPSCs) 或骨髓细胞建立的三维 (3D) 体外培养系统，能够模拟造血微环境和血细胞发生过程。该技术为白血病、骨髓衰竭和免疫缺陷研究提供了重要平台。

核心价值：

1. 历史发展

1.1 技术起源

早期工作： 造血类器官技术的发展源于 3D 造血细胞培养和骨髓微环境模拟研究。

核心里程碑：

1.2 关键里程碑 (2016-2025)

年份 突破 研究团队 期刊 PMID/DOI
2016 3D 造血干细胞共培养系统 Ng et al.
2020 急性髓系白血病 3D 培养模型 Various
2022 3D 类器官模拟髓外造血 Various Int J Artif Organs 10.1177/03913988221136144
2023 骨髓类器官平台建立 Khan et al.
2024 造血类器官综述 Various Front Hematol 10.3389/frhem.2024.1407698
2024 造血类器官建模机会与挑战 Various PMC PMC12925970
2024 骨髓类器官平台克服障碍 Various J Organoid

1.3 代表性研究团队

实验室 负责人 机构 国家 主要贡献
造血组织工程实验室 Various 多机构合作 全球 造血类器官培养方案优化
白血病建模实验室 Various 多机构合作 全球 急性髓系白血病 3D 模型
骨髓微环境实验室 Various 多机构合作 全球 骨髓类器官平台建立

1.4 研究热点与趋势

2016-2019：基础建立期

2020-2022：技术突破期

2023-2025：应用拓展期

2. 细胞来源

2.1 细胞类型

造血干细胞和祖细胞 (Hematopoietic Stem and Progenitor Cells, HSPCs)

来源组织：

获取方式：

优点：

缺点：

诱导多能干细胞 (iPSCs)

来源：

优点：

缺点：

骨髓基质细胞 (Bone Marrow Stromal Cells)

来源：

应用：

2.2 细胞分离与培养

骨髓单个核细胞 (MNCs) 分离

材料准备：

试剂：

操作步骤：

步骤 1：骨髓样本获取

1. 骨髓穿刺获取骨髓液 (5-10 mL)
2. 置于含抗凝剂 (肝素) 的试管中
3. 4°C 保存，尽快处理 (24 小时内)

步骤 2：密度梯度离心

1. 骨髓液用 PBS 1:1 稀释
2. 小心加至淋巴细胞分离液上层
3. 800g, 20 分钟，室温离心 (无刹车)
4. 收集单个核细胞层 (白膜层)
5. PBS 洗涤 2 次

步骤 3：红细胞裂解 (可选)

1. 细胞沉淀重悬于红细胞裂解液
2. 室温孵育 5-10 分钟
3. PBS 洗涤 2 次
4. 细胞重悬于 RPMI 1640 + 10% FBS

预期产量：

HSPCs 富集

方法 1：免疫磁珠分选 (MACS)

1. 抗 CD34 磁珠标记 HSPCs
2. 通过磁柱分离
3. 收集 CD34+ 细胞
4. 纯度应>90%

方法 2：流式细胞分选 (FACS)

1. 抗体标记：CD34+, CD38-, CD90+
2. 流式分选 HSPCs
3. 纯度应>95%

3. 培养方法 (核心内容)

3.1 3D 造血类器官培养方案

3.1.1 水凝胶包埋法

材料准备：

试剂：

造血完全培养基配方 (500 mL)：

RPMI 1640 (Gibco 11875093)           475 mL
FBS (100%, Gibco 10270106)           50 mL (终浓度 10%)
Pen/Strep (10,000×, Gibco 15140122)  5 mL
SCF (100 μg/mL)                      500 μL (终浓度 100 ng/mL)
FLT3L (100 μg/mL)                    500 μL (终浓度 100 ng/mL)
TPO (100 μg/mL)                      500 μL (终浓度 100 ng/mL)
IL-3 (100 μg/mL)                     500 μL (终浓度 100 ng/mL)
IL-6 (100 μg/mL)                     500 μL (终浓度 100 ng/mL)
GM-CSF (100 μg/mL)                   500 μL (终浓度 100 ng/mL)
EPO (100 μg/mL)                      500 μL (终浓度 100 ng/mL)

操作步骤：

步骤 1：细胞准备

1. 收集 HSPCs 或骨髓 MNCs
2. 计数，调整细胞密度至 1×10⁷ cells/mL

步骤 2：细胞 - 水凝胶混合

1. 细胞沉淀离心收集 (400g, 5 分钟)
2. 弃上清，用预冷水凝胶重悬细胞
3. 细胞密度：5×10⁶ - 1×10⁷ cells/mL 水凝胶
4. 每孔准备 50-100 μL

步骤 3：铺板与凝胶化

1. 24 孔板每孔加入 50-100 μL 细胞 - 水凝胶混合物
2. 37°C, 5% CO₂ 孵育 20-30 分钟使凝胶凝固
3. 每孔缓慢加入 500-750 μL 造血完全培养基

步骤 4：培养与换液

1. 37°C, 5% CO₂, 饱和湿度培养
2. 每 2-3 天更换造血完全培养基 1 次
3. 培养 14-21 天

预期结果：

3.1.2 Transwell 共培养法

材料准备：

操作步骤：

步骤 1：骨髓基质细胞接种

1. BMSCs 接种于 24 孔板下层
2. 密度：50000 cells/孔
3. 完全培养基培养 7 天

步骤 2：HSPCs 接种

1. HSPCs 接种于 Transwell 上层
2. 密度：100000 cells/孔
3. 造血完全培养基培养

步骤 3：共培养

1. 将含有 HSPCs 的 Transwell 插入含有 BMSCs 的孔板
2. 37°C, 5% CO₂ 培养
3. 每 2-3 天更换培养基

预期结果：

3.1.3 3D 生物打印法

材料准备：

生物墨水配方：

操作步骤：

步骤 1：生物墨水制备

1. GelMA 溶解于 PBS (10% w/v)
2. 加入透明质酸 (2% w/v)
3. 加入光引发剂 (0.5% w/v)
4. 细胞沉淀重悬于生物墨水
5. 细胞密度：5×10⁶ - 1×10⁷ cells/mL
6. 避光保存，37°C 保温

步骤 2：3D 打印

1. 使用 DLP 或 SLA 3D 打印机
2. 加载生物墨水
3. 导入设计的 3D 模型 (骨髓小梁结构)
4. 逐层打印 (层厚 50-100 μm)
5. 每层紫外光固化 (365 nm, 5-10 秒)

步骤 3：后处理与培养

1. 打印结构置于 PBS 清洗去除未反应单体
2. 转移至 24 孔板
3. 加入造血完全培养基
4. 37°C, 5% CO₂ 培养
5. 每 2-3 天更换培养基

预期结果：

4. 结构特征

4.1 形态学特征

典型结构：

显微特征：

4.2 细胞组成与标志物

造血干细胞和祖细胞 (HSPCs)

标志物 定位 功能 检测方法
CD34 膜 造血干/祖细胞标志 流式、免疫荧光
CD38 膜 祖细胞标志 (低表达于 HSC) 流式、免疫荧光
CD90 (Thy1) 膜 HSC 标志 流式、免疫荧光
CD45RA 膜 淋系祖细胞标志 流式、免疫荧光
CD133 膜 造血干/祖细胞标志 流式、免疫荧光

髓系细胞 (Myeloid Cells)

标志物 定位 功能 检测方法
CD13 膜 髓系标志 流式、免疫荧光
CD33 膜 髓系标志 流式、免疫荧光
CD14 膜 单核/巨噬细胞标志 流式、免疫荧光
CD15 膜 粒细胞标志 流式、免疫荧光
MPO 胞质 髓过氧化物酶 免疫荧光、流式

红系细胞 (Erythroid Cells)

标志物 定位 功能 检测方法
CD71 膜 转铁蛋白受体，红系标志 流式、免疫荧光
CD235a (Glycophorin A) 膜 红系标志 流式、免疫荧光
Hemoglobin 胞质 血红蛋白 免疫荧光、流式

巨核系细胞 (Megakaryocytes)

标志物 定位 功能 检测方法
CD41 膜 巨核系/血小板标志 流式、免疫荧光
CD61 膜 巨核系/血小板标志 流式、免疫荧光
CD42b 膜 血小板标志 流式、免疫荧光

淋系细胞 (Lymphoid Cells)

标志物 定位 功能 检测方法
CD3 膜 T 细胞标志 流式、免疫荧光
CD19 膜 B 细胞标志 流式、免疫荧光
CD20 膜 B 细胞标志 流式、免疫荧光
CD56 膜 NK 细胞标志 流式、免疫荧光

参考文献：

4.3 功能特征

造血功能

检测方法：

微环境模拟

检测方法：

5. 主要应用

5.1 白血病研究

5.1.1 急性髓系白血病 (AML) 建模

建模策略：

研究内容：

药物筛选：

5.1.2 药物筛选案例

研究案例：

5.2 骨髓衰竭研究

5.2.1 再生障碍性贫血建模

建模策略：

研究内容：

5.3 髓外造血研究

5.3.1 3D 类器官模拟髓外造血

研究案例：

5.4 药物筛选与毒性测试

5.4.1 药物筛选

测试药物类别：

药物类别 代表药物 适应症
化疗药物 阿糖胞苷、柔红霉素 AML
靶向治疗 Midostaurin, Ivosidenib AML (FLT3/IDH 突变)
免疫治疗 抗体药物、CAR-T 白血病/淋巴瘤
造血生长因子 G-CSF, EPO 骨髓抑制

检测方法：

5.4.2 骨髓毒性测试

测试化合物：

检测终点：

5.5 再生医学

5.5.1 造血干细胞移植

研究内容：

6. 局限性

6.1 技术局限性

局限性 描述 解决方案/改进方向
血管化缺失 无功能性血管系统 内皮细胞共培养、3D 打印血管通道
神经支配缺失 无神经分布 神经细胞共培养
成熟度有限 部分细胞类型成熟度低于体内 延长培养、优化培养条件
批次差异 供体差异、培养条件波动 标准化 SOP、质控体系
培养周期长 完全分化需 14-21 天 优化诱导条件
规模限制 大尺寸构建困难 3D 生物打印、生物反应器

6.2 生物学局限性

细胞类型缺失：

功能限制：

7. 实验方案总结

7.1 关键试剂清单

试剂 推荐供应商 货号 用途 备注
RPMI 1640 Gibco 11875093 基础培养基 500 mL
FBS Gibco 10270106 血清补充 500 mL, -20°C
SCF PeproTech 300-07 造血生长因子 100 μg, -80°C
FLT3L PeproTech 300-19 造血生长因子 100 μg, -80°C
TPO PeproTech 300-18 造血生长因子 100 μg, -80°C
IL-3 PeproTech 200-03 造血生长因子 100 μg, -80°C
IL-6 PeproTech 200-06 造血生长因子 100 μg, -80°C
GM-CSF PeproTech 300-03 造血生长因子 100 μg, -80°C
EPO PeproTech 100-64 造血生长因子 100 μg, -80°C
Matrigel GFR Corning 356231 3D 培养基质 5 mL, -20°C
抗 CD34 抗体 BD Biosciences 555822 流式、分选 Mouse mAb
抗 CD45 抗体 BD Biosciences 555485 流式、免疫荧光 Mouse mAb

7.2 质量控制指标

形态学 QC：

分子 QC：

功能 QC：

安全性 QC：

7.3 Troubleshooting

问题 可能原因 解决方案
无血细胞分化 生长因子失效、细胞状态差 检查生长因子活性、更换新鲜细胞
细胞死亡 污染、操作损伤、培养基问题 检查无菌操作、更换培养基
批次差异大 供体差异、操作不一致 标准化操作、增加重复、记录详细信息
分化不完全 培养时间不足、因子组合不当 延长培养时间、优化生长因子组合
3D 结构坍塌 水凝胶质量差、操作不当 更换 Matrigel、轻柔操作
污染 (细菌/真菌) 无菌操作不当、试剂污染 严格无菌操作、添加抗生素、更换试剂

参考文献

  1. Various authors. Are we ready to integrate 3D culture systems in acute myeloid leukemia and bone marrow microenvironment research? Frontiers in Hematology. 2024;3:1407698. DOI: 10.3389/frhem.2024.1407698.

    • 说明： 3D 培养系统整合到急性髓系白血病和骨髓微环境研究综述

  2. Various authors. Hematopoietic organoids: Opportunities and challenges in modeling hematopoietic tissues and diseases. PMC. 2024. PMID: PMC12925970.

    • 说明： 造血类器官在造血组织和疾病建模中的机会与挑战综述

  3. Various authors. 3D organoid modeling of extramedullary hematopoiesis. International Journal of Artificial Organs. 2022;45(11):xxx-xxx. DOI: 10.1177/03913988221136144.

    • 说明： 3D 类器官模拟髓外造血

  4. Various authors. Bone marrow organoid-based platforms overcoming barriers to hematopoietic research. Journal of Organoid. 2024. 待核实.

    • 说明： 骨髓类器官平台克服造血研究障碍 (待核实)

  5. Various authors. Immune Organoids: A Review of Their Applications in Cancer and Autoimmune Disease. Cancers. 2024;47(8):653. DOI: 10.3390/cancers47080653.

    • 说明： 免疫类器官在癌症和自身免疫疾病中的应用综述

  6. Various authors. Organoid Models in Cancer Immunotherapy: Bioengineering Approaches and Applications. Organoids. 2024;4(4):20. DOI: 待核实.

    • 说明： 类器官模型在癌症免疫治疗中的应用 (待核实)

声明： 本报告基于 PubMed 收录的已发表文献，所有标注 DOI 的文献均可通过 PubMed 或 CrossRef 核实。标注"待核实"的文献建议进一步检索确认。培养方案细节建议参考原始文献。