类器官-免疫共培养：从单类器官到多组分 Assembloid
Organoid-Immune Co-Culture: From Monotypic Organoids to Multi-Component Assembloids
摘要
类器官-免疫共培养技术正在重塑体外疾病建模与免疫治疗的范式。本综述基于 15 篇 2022-2026 年核心文献与 8 张客户应用数据图，系统梳理 5 大方向——A. 脑类器官 + 小胶质细胞（microglia）、B. 肿瘤类器官 + T 细胞（CART）、C. 肿瘤类器官 + NK 细胞、D. 类器官 + 巨噬细胞（macrophage）、E. 脑 Assembloid + 免疫细胞浸润——的方法学进展、临床转化潜力与未解决瓶颈。本综述定位为研究型综述，研究焦点在共培养方法学与疾病建模应用。
1. 引言
类器官（organoid）作为体外三维（3D）培养模型，已成为发育生物学、疾病建模、药物筛选的核心工具PMID:41636909。然而，传统类器官缺乏功能性免疫细胞——这导致类器官在模拟肿瘤微环境、神经炎症、肠道免疫、自身免疫等场景时存在关键瓶颈PMID:41690308, PMID:41105712。
类器官-免疫共培养（Organoid-Immune Co-Culture） 与 多组分 Assembloid 技术应运而生PMID:41993558, PMID:41798890。本综述的 8 张配图全景式展示该技术体系：图 1 概述 iPSC 衍生 microglia + ALI 脑类器官工作流；图 2 展示 PNAS miBrain 8 行 panel 完整模型；图 3 展示 Microglia Forebrain Assembloid 免疫荧光验证；图 4 展示 3D multi-compartment 免疫循环 4 步；图 5 展示 SLC25A22 + CD8+ T + 肿瘤类器官机制图；图 6 展示 NOXA 敲除增强 NK 细胞机制；图 7 展示 Mancuso 2022 神经免疫 cerebral assembloid；图 8 展示 Macrophage Immune-Competent Colon Assembloid。
本综述的核心问题：
- 如何在类器官中引入功能性免疫细胞（microglia、T 细胞、NK 细胞、巨噬细胞）？
- 类器官 + 免疫共培养的疾病建模应用有哪些典型案例？
- 多组分 Assembloid 与单类器官相比有何优势？
- 类器官-免疫共培养在个体化免疫治疗筛选中的应用前景如何？
2. 类器官-免疫共培养的 5 大方法学方向
2.1 综述总览：5 大方向
| 方向 | 免疫细胞类型 | 主要应用领域 | 典型疾病模型 | 配图 |
|---|---|---|---|---|
| A. 脑类器官 + Microglia | iPSC 衍生 microglia | 神经炎症 / AD / 神经发育 | AD、癫痫、CDKL5 缺陷 | 图 1, 2, 3, 7 |
| B. 肿瘤类器官 + T 细胞 | PBMC 来源 T 细胞 / CAR-T | 肿瘤免疫治疗筛选 | HCC、肺癌、结直肠癌 | 图 5 |
| C. 肿瘤类器官 + NK 细胞 | iPSC / PBMC 来源 NK / CAR-NK | 免疫治疗 + 异体治疗 | 实体瘤、MRD | 图 6 |
| D. 类器官 + Macrophage | PBMC / iPSC 巨噬细胞 | 组织重塑 + 衰老 | 肺纤维化、结肠炎、Long COVID | 图 8 |
| E. 多组分 Assembloid | 多类免疫细胞 + 多组织 | 跨组织通讯 / 空间免疫 | AD assembloid、心肌-巨噬、肠神经 | 图 4 |
2.2 综述方法学总览（4 步流程）
图 4：Cell Reports Methods 2026 发表的 3D multi-compartment assembloid + 4 步免疫循环示意图。汇总了什么：中央培养孔内含 Matrigel/胶原模拟 ECM，绿色免疫细胞（T/NK）+ 红色肿瘤球体共培养；4 个编号插图展示 4 步免疫循环——(1) Stromal invasion：免疫细胞穿过基质屏障；(2) Migration：沿趋化因子向肿瘤迁移；(3) Tumor invasion：渗透进肿瘤内部；(4) Cell-mediated cytotoxicity：通过穿孔素/颗粒酶杀伤肿瘤细胞。对比显示了什么：相比传统 2D 共培养（仅细胞-细胞直接接触），3D assembloid 模拟了"血管-基质-肿瘤"的三层空间结构——免疫细胞必须先穿越基质、才能趋化迁移、最终浸润肿瘤，这是 2D 模型无法复制的。说明什么：3D multi-compartment assembloid 是 2026 年最新方法学——解决了"免疫细胞如何穿透组织屏障"这一传统 2D 共培养的盲点PMID:41690308。
3. A. 脑类器官 + Microglia（小胶质细胞）
小胶质细胞（microglia） 是大脑的常驻免疫细胞——占脑细胞总数 10-15%——在中枢神经系统的发育、突触修剪、神经炎症、神经退行性病变中起核心作用PMID:41221983。传统脑类器官缺乏功能性 microglia——因为 microglia 起源于胚胎卵黄囊（yolk sac）而非神经外胚层，iPSC 神经分化协议不产生 microglia。
3.1 iPSC 衍生 Microglia 整合策略
图 1：European Journal of Neuroscience 2025 发表的 iPSC 衍生 microglia + ALI 脑类器官工作流。汇总了什么：6 步流程——① 健康供体（Healthy donor）→ ② 健康成纤维细胞（Healthy fibroblasts）→ ③ iPSC 重编程（Yamanaka 因子）→ ④ 双路径分化：脑类器官（Cerebral organoid，粉红球）+ 髓系前体细胞（Myeloid precursor，绿色）→ ⑤ 髓系前体分化为 microglia → ⑥ 气液界面（ALI）脑类器官共培养。对比显示了什么：传统脑类器官不含 microglia（神经外胚层分化不产生免疫细胞），本方法用同源 iPSC 同时分化脑组织 + 髓系细胞，避免免疫排斥。ALI 培养提供了更接近体内的空气-液体界面环境。说明什么：同源 iPSC + ALI 共培养是 2025 年 microglia 整合的标准方法——既保证细胞来源单一性，又模拟体内微环境PMID:41221983。
3.2 PNAS miBrain 完整模型
图 2：PNAS 2025 发表的 miBrain 模型 8 行 panel 完整图。汇总了什么：8 行实验数据——(1) 模型构建策略（iPSC 分化 6 种 CNS 细胞 + Neuromatrix 水凝胶 + 自组装 miBrain）；(2) 全细胞类型整合验证（免疫荧光染色 6 种 marker：pericyte/astrocyte/endothelial/neuron/oligodendrocyte/microglia）；(3) 生物材料优化（VCN/NCN/BCN/Heparin/HA 5 种 ECM 成分对比 Neuromatrix vs Matrigel）；(4) 神经血管单元完整性（Neuromatrix 形成清晰血管网络 vs Matrigel 塌陷）；(5) NVU 细节（内皮/神经元/星形胶质细胞共定位）；(6) Microglia 整合（microglia + 内皮 + 神经元互作）；(7) 血脑屏障 BBB（星形胶质细胞足突包裹血管 + ZO1/AQP4 紧密连接）；(8) 髓鞘化（少突胶质细胞 + MBP）。对比显示了什么：相比传统 Matrigel 培养的脑类器官（缺少 microglia、BBB、髓鞘化），Neuromatrix + miBrain 实现了"全 CNS 细胞类型 + 全功能单元"——是 2025 年最完整的体外脑模型。说明什么：miBrain 模型是研究 microglia 在 NVU/BBB 背景下功能的金标准—— microglia 不再孤立存在，而是在完整的神经血管单元中与神经元/星形胶质细胞/内皮细胞互作PMID:41105712。
3.3 Microglia Forebrain Assembloid 验证
图 3：bioRxiv 2026 发表的 Microglia Forebrain Assembloid 9 panel 免疫荧光验证。汇总了什么：3×3 网格共 9 个子图——A-C / D-F / G-I 三组，红色 IBA1（小胶质细胞 marker）+ 绿色 GFAP（星形胶质细胞 marker）+ 蓝色 DAPI（细胞核）三色荧光。对比显示了什么：
- 第一行（A, B, C）：低倍-高倍-高倍——边缘 IBA1+ microglia 团块（阿米巴状 = 激活态）+ GFAP+ 星形胶质细胞穿插
- 第二行（D, E, F）：另一区域——GFAP+ 信号丰富，IBA1+ 细胞较大圆胖（激活态）
- 第三行（G, H, I）：最成熟区域——密集 GFAP+ 网络 + 散在 IBA1+ 细胞
说明什么：Microglia 阿米巴状形态是激活态标志——本 assembloid 自发产生小胶质细胞激活，提示模型可模拟神经炎症；GFAP+ 网络从稀疏到密集展示了星形胶质细胞的发育成熟过程；红绿蓝三色共定位直接证明 microglia 与星形胶质细胞在 3D 空间中可形成"神经-免疫互作"结构PMID:41993558。
3.4 AD Neuroimmune Cerebral Assembloid
图 7：Cell Stem Cell 2022 发表的 Mancuso et al. 神经免疫 cerebral assembloid 模型（J Neuroinflammation 2025 复制扩展）。汇总了什么：
- Panel A（左）：实验流程——上半 iPSC 分化 microglia (iMG)（D0→D12→D40），下半无引导脑类器官形成（D0→D5 拟胚体→D10 神经诱导→D30 类器官成熟），D60 共培养（iMG 加入脑类器官）→ D120 形成成人 assembloid；下游分析（流式/组化/WB/RNA-seq）；分组：Healthy (n) / H+iMG / fAD (n) / fAD+iMG。
- Panel A（右）：Healthy vs fAD 类器官的明场照片 + 横截面 + MAP2（神经元绿）/GFAP（星形胶质细胞红）染色。
- Panel B：60 DIV / 120 DIV 多个 marker 验证（FOXG1/SOX2 前脑 + TBR1/PSD95 深层皮层/突触 + CTIP2/TUJ1 + AQP4/GFAP 成熟度对比）。
对比显示了什么：相比 Mancuso 2022 原始 4-6 个月的实验流程，J Neuroinflammation 2025 复制验证了 fAD assembloid 中 microglia 整合成功、神经元成熟（MAP2/NeuN 表达）、星形胶质细胞发育（AQP4/GFAP）。说明什么：Neuroimmune cerebral assembloid 是研究 AD 神经炎症的标杆模型——通过 fAD iPSC + microglia 共培养，可在体外模拟"淀粉样蛋白沉积 + microglia 激活 + 神经元丢失"的 AD 病理三联征PMID:41063316。
4. B. 肿瘤类器官 + T 细胞（CART）免疫治疗
肿瘤类器官 + T 细胞共培养 是当前最活跃的免疫治疗筛选方向——核心目的是在体外评估T 细胞 / CAR-T 细胞对患者特异性肿瘤的杀伤效率PMID:40575936。
4.1 代谢-免疫机制：SLC25A22 + CD8+ T
图 5：Advanced Science 2025 发表的 SLC25A22 + CD8+ T + 肿瘤类器官 Graphical Abstract。汇总了什么：
- 上半部分（流程）：转录组学 + 代谢组学（火山图 + 热图筛选靶点）→ 临床验证（IHC/IF）→ 体外/体内 IFNβ2 疗效评估（类器官 + 小鼠生存曲线）
- 下半部分（机制）：肿瘤细胞通过 SLC25A22（线粒体谷氨酸载体）将谷氨酰胺/谷氨酸转入线粒体，触发 TCA 循环 + ROS；T 细胞分泌 IFN-γ 抗肿瘤；中间 Y 型抗体暗示 PD-1/PD-L1 联合阻断
对比显示了什么：传统肿瘤免疫治疗关注"PD-1/PD-L1 阻断"单一靶点；本研究发现SLC25A22 介导的肿瘤代谢重编程是 CD8+ T 细胞功能的关键调节器——靶向 SLC25A22 + 谷氨酰胺代谢可显著增强 T 细胞抗肿瘤活性。说明什么：代谢-免疫交叉是 2025 年新前沿——肿瘤类器官 + T 细胞共培养不仅能评估杀伤，还能筛选"代谢干预"组合方案PMID:40575936。
4.2 CAR-NK 异体治疗
iPSC 衍生的 CAR-NK 祖细胞（PMID:41742420，2026 Cell Stem Cell）是类器官 + NK 免疫治疗的新方向——相比 CAR-T（自体制备），CAR-NK 可异体输注、无 GVHD、即时可用。
5. C. 肿瘤类器官 + NK 细胞
NK 细胞是天然免疫系统的核心——具备MHC 非限制性杀伤、无 GVHD 风险、可异体输注三大优势PMID:41783357。
5.1 NOXA 敲除增强 NK 功能
图 6：Molecular Therapy Oncolytics 2026 发表的 NOXA 敲除增强 NK 细胞机制图。汇总了什么：
- 左上 + 左下：CRISPR-Cas9 RNP（Cas9 + sgNOXA）电穿孔导入 NK 细胞，敲除 NOXA 基因（mRNA 链断裂）
- 中间下方：NOXA 耗竭 → MCL1 抗凋亡蛋白表达上调 → 线粒体功能增强 → NK 细胞凋亡减少
- 上半 + 右侧：激活受体 + CD69 + IFN-γ/TNF-α 分泌增加 + CD107a 脱颗粒增加
- 右下：TME 因子（IL-6, TGF-β）抑制抵抗 → NK 细胞毒性 + 持久性双提升
对比显示了什么：相比传统 CAR-NK（依赖外源 CAR 转入），NOXA 敲除是内源性基因编辑——直接强化 NK 细胞的"持久性"瓶颈（NK 细胞体内存活时间短是临床失败主因）。说明什么：CRISPR 基因编辑 + NK 细胞工程是 2026 年 NK 治疗的新策略——通过敲除促凋亡基因提升 NK 在 TME 中的存活与杀伤PMID:41783357。
5.2 CD8+ T 衰老与免疫治疗抵抗
IFN 诱导的衰老 CD8+ T 细胞（PMID:40929245，2025 Sci Transl Med）减少抗 PD-1 免疫治疗疗效——是肿瘤类器官 + T 细胞共培养的"耐药机制"研究新方向。
6. D. 类器官 + Macrophage（巨噬细胞）
巨噬细胞是组织特异性免疫细胞——在不同器官（脑 microglia、肝 Kupffer、肺 alveolar macrophage、肠 mucosal macrophage）执行不同功能PMID:40712141。
6.1 Macrophage Immune-Competent Colon Assembloid
图 8：Gastro Hep Advances 2026 发表的 Macrophage Immune-Competent Colon Assembloid 4 panel Figure 1。汇总了什么：
- Panel A：构建流程示意——D0 内层胶原凝胶（macrophage + neural progenitor）+ 外层平滑肌胶原凝胶 → 孵育 30 min → D1-7 37°C 培养，细胞自对齐 → 完整环形组织
- Panel B：宏观照片 D0-D7——组织从松散→收缩→致密环形
- Panel C：收缩率折线图（D0-D7 数值从 ~800 降至 ~200，p < 0.0001）
- Panel D：D5/D7 免疫荧光 4 列——α-SMA（平滑肌红）+ βIII Tubulin/ChAT（肠神经元蓝/绿）+ Nos1/Ngfr-p75（神经前体红/绿）+ F4/80（巨噬细胞黄）
对比显示了什么：相比传统结肠类器官（仅上皮 + 间质），本模型首次整合肠神经元 + 平滑肌 + 巨噬细胞——形成完整的"肠神经-肌肉-免疫"三层结构；7 天内自组装收缩成致密环形组织（p < 0.0001）。说明什么：Macrophage Immune-Competent Colon Assembloid 是研究"肠道炎症-神经-肌肉"轴的新工具——可用于炎症性肠病（IBD）、肠易激综合征（IBS）、胃肠动力障碍的体外建模PMID:41798890。
6.2 Immuno-Lung Organoid + 巨噬细胞
Immuno-Alveolar Organoid + Immuno-Airway Organoid（PMID:40712141，2025 Adv Sci）整合肺泡巨噬细胞——用于研究 SARS-CoV-2 感染后的促炎巨噬细胞极化与肺细胞衰老（THBS1-ITGA3/ITGB1 通路）。
7. E. 多组分 Assembloid 与空间免疫
多组分 Assembloid 是类器官-免疫共培养的最高级形式——将多个组织类器官 + 多种免疫细胞在空间上组装PMID:41690308, PMID:41151577。
7.1 Heart-Macrophage Assembloid
人心脏-巨噬细胞 Assembloid（PMID:41151577，2025 Cell Stem Cell）模拟"心肌细胞-巨噬细胞"互作——揭示心律失常的免疫机制。
7.2 miBrain 跨血管-神经-免疫整合
详见 § 3.2 + 图 2——miBrain 是多组分 Assembloid 的最完整实现，6 种 CNS 细胞类型 + Neuromatrix 水凝胶 + NVU/BBB/髓鞘化。
7.3 Microglia Forebrain Assembloid
详见 § 3.3 + 图 3——9 panel 验证 microglia + astrocyte 在 assembloid 中的共定位与激活态。
8. 5 大方向应用矩阵
下表展示 5 大类器官-免疫共培养方向在 6 大典型应用中的覆盖度（✓ = 核心 / ○ = 次要 / – = 不适用）：
| 方向 | 神经炎症 | 肿瘤免疫 | 感染模型 | 自身免疫 | 移植排斥 | 药物筛选 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A. Brain + Microglia | ✓ | – | ○ | – | – | ✓ |
| B. Tumor + T cell | – | ✓ | – | – | – | ✓ |
| C. Tumor + NK | – | ✓ | – | – | ○ | ✓ |
| D. Organoid + Macrophage | ○ | – | ✓ | ✓ | – | ✓ |
| E. Multi-Assembloid | ✓ | ○ | – | – | ○ | ✓ |
9. 技术挑战与未解决问题
本综述梳理出 8 个未解决的关键方法学/转化问题：
- 免疫细胞来源异质性：PBMC 来源 vs iPSC 衍生 vs 卵黄囊来源 microglia——功能差异
- 共培养时间窗口：类器官 + 免疫细胞共培养 7-30 天 vs 60-120 天——最佳时长未知
- 空间异质性：免疫细胞在 assembloid 边缘聚集 vs 核心渗透——缺乏标准化
- 细胞比例：microglia 占 CNS 细胞 10-15%——类器官中最佳比例？
- 激活态控制：自发激活 vs 静息态——如何保持？
- 疾病模型选择：患者 iPSC vs 工程化 iPSC——伦理与可及性
- 高通量筛选：24/96 孔板 + 类器官 + 免疫细胞——自动化瓶颈
- 临床转化：类器官免疫筛选 vs 真实患者反应——相关性验证
10. 监管与转化路径
- FDA Modernization Act 2.0 (2022)：类器官 + 免疫共培养作为 NAMs 被认可PMID:40293475
- 个体化免疫治疗筛选：患者肿瘤类器官 + 患者 T 细胞——精准医疗
- 类器官免疫毒理学：OECD DNT/DART 指南纳入类器官-免疫共培养评估
11. 结论
类器官-免疫共培养技术正从"概念验证"走向"工业级应用"。关键技术突破包括：
- 5 大方向：脑 microglia、肿瘤 T/NK、巨噬细胞、multi-assembloid
- 同源 iPSC + ALI 共培养：避免免疫排斥，模拟体内微环境
- Neuromatrix + miBrain：6 种 CNS 细胞 + NVU/BBB/髓鞘化全功能整合
- CRISPR 工程化免疫细胞：NOXA 敲除 NK + 代谢重编程 T——双重增强
- 多组分 Assembloid：4 步免疫循环模型 + 心肌-巨噬 + 肠神经-免疫
关键瓶颈仍集中在细胞来源异质性、共培养时间窗口、空间异质性、激活态控制、临床转化相关性五大维度。未解决问题清单（8 条）指明未来 3-5 年的研究重点。
参考文献
- Organoid-Immune Co-Cultures: A Next-Generation approach to disease modeling. Mol Biol Rep. 2026. PMID:41636909
- A 3D multi-compartment assembloid to study combined immune cell infiltration and cytotoxicity. Cell Rep Methods. 2026. PMID:41690308
- Engineered 3D immuno-glial-neurovascular human miBrain model. Proc Natl Acad Sci U S A. 2025. PMID:41105712
- The Microglia Forebrain Assembloid Model Recapitulates Human Brain Development and Neuroinflammation. bioRxiv. 2026. PMID:41993558
- Macrophage Immune-Competent Colon Assembloids for Functional Interrogation of Neuroinflammation. Gastro Hep Adv. 2026. PMID:41798890
- Human iPSC-Derived Microglia Integrate Into Cerebral Organoids and Assume an In Vivo-Like Phenotype. Eur J Neurosci. 2025. PMID:41221983
- Targeting Glutamine Metabolism Transporter SLC25A22 Enhances CD8+ T-Cell Function and Anti-Tumor Immunity. Adv Sci. 2025. PMID:40575936
- A Human Immuno-Lung Organoid Model to Study Macrophage-Mediated Lung Cell Senescence Upon SARS-CoV-2 Infection. Adv Sci. 2025. PMID:40712141
- Enhancing cancer killing and natural killer cell persistence by targeting NOXA. Mol Ther Oncol. 2026. PMID:41783357
- A neuroimmune cerebral assembloid model to study the pathophysiology of familial Alzheimer's disease. J Neuroinflammation. 2025. PMID:41063316
- Pluripotent stem cell-derived CAR-NK progenitor therapy targets minimal residual disease. Cell Stem Cell. 2026. PMID:41742420
- Interferon-induced senescent CD8+ T cells reduce anti-PD1 immunotherapy efficacy. Sci Transl Med. 2025. PMID:40929245
- Targeting ECM-producing cells with CAR-T therapy alleviates fibrosis in chronic kidney disease. Cell Stem Cell. 2025. PMID:40848726
- Human heart-macrophage assembloids mimic immune-cardiac interactions and enable arrhythmia modeling. Cell Stem Cell. 2025. PMID:41151577
- Single-cell screens identify ADAM12 as a fibroblast checkpoint impeding anti-tumor immunity. Cancer Cell. 2026. PMID:41544628
转发语
🧬 类器官-免疫共培养正将体外疾病建模从"单一组织类型"推进到"多组分免疫互作"的全栈式评估。本文综合 15 篇 2022-2026 年核心文献 + 8 张客户应用数据图，归纳 4 大趋势：(1) 同源 iPSC + ALI 共培养——避免免疫排斥，microglia / T 细胞 / NK / 巨噬细胞 5 大方向统一使用 iPSC 来源策略；(2) 多组分 Assembloid——Neuromatrix + miBrain 实现 6 种 CNS 细胞 + NVU/BBB/髓鞘化全功能整合（PNAS 2025）；(3) CRISPR 工程化免疫细胞——NOXA 敲除 NK + 代谢重编程 T 实现"杀伤力 + 持久性"双重增强（Mol Ther Oncol 2026）；(4) 3D multi-compartment 4 步免疫循环——基质侵袭→迁移→肿瘤浸润→细胞毒性的完整体外重现（Cell Rep Methods 2026）。
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