《食品科學》：上海交通大學王慧教授等：類器官技術在營養評價中的應用

食品營養評價是現代營養科學和食品科學中的重要研究領域，直接關系到人類健康和飲食結構的優化。傳統的營養評價方法主要依賴于體外細胞實驗、動物模型以及人類臨床試驗。然而，這些方法在模擬人體生理狀態、評價食物對人體不同器官的長期影響方面，均存在一定的局限性。

類器官技術近年來成為了生物醫學研究的熱點之一，它是一種先進的三維組織模型，能夠在形態和功能上高度模擬體內特定器官的特征。類器官的優勢在于它們能夠在體外保留原始組織的結構和功能特性，從而更好地模擬人體內環境。相較于傳統的二維培養細胞，類器官具備更高的生理相關性，并且能夠表現出組織特異性和功能復雜性。

上海交通大學公共衛生學院的何牮、周獻超、王慧*等總結類器官技術在食品營養評價領域中的研究進展，探討其在模擬人體環境和評估營養成分生理效應方面的應用潛力。

01

多種類器官模型已經應用于食品營養的評價

類器官模型在營養評價中的應用近年來引起了廣泛關注。憑借其獨特的三維自組織特性，類器官能夠更為真實地模擬人體器官的生理功能，從而為研究營養物質的吸收與代謝、膳食干預、功能性食品功效、宿主微生物互作等提供了強有力的工具。

1.1 消化系統類器官

腸道類器官可高度還原腸道的細胞異質性和組織結構，特別適合用于研究營養成分的吸收和代謝。例如，研究人員利用腸道類器官模型，研究了不同膳食成分如脂肪酸、碳水化合物和微量營養素在腸上皮的吸收和轉運過程。腸道類器官還可用于研究益生菌與腸道微生物的相互作用，評估益生菌在營養吸收及免疫調控方面的潛在作用。

肝臟在人體營養代謝中發揮著關鍵作用，肝類器官在研究藥物和營養成分的生物轉化方面表現出巨大的潛力。通過肝類器官模型，可以對營養素的代謝途徑進行解析，同時評估其對肝細胞毒性及代謝負擔的影響。此外，肝類器官可用于評估長期攝入特定營養素對肝細胞健康的影響，如高脂飲食對脂肪肝發展、高果糖飲食對心腦血管疾病發生的促進作用，這為代謝性疾病的預防和營養干預策略的制定提供了依據。此外，類器官還廣泛應用于胃、食管、胰腺等消化器官研究。

1.2 泌尿系統類器官

泌尿系統類器官主要以腎臟類器官為代表，由于腎臟不僅參與血液過濾和代謝廢物的排出，還負責調節體內多種礦物質和維生素的平衡，腎臟類器官在營養學研究中具有廣泛的應用潛力。Montalbetti等建立的腎臟類器官功能性地表達了遠端腎單位中的關鍵鉀離子和鈉離子通道，為腎臟類器官在離子轉運功能研究中的應用提供了支持。已有研究證實了腎小管類器官在VD代謝方面的潛力，表明其可以作為模型研究腎臟的VD調節機制及腎臟激素系統。Bejoy等通過腎臟類器官發現抗壞血酸對細胞游離血紅蛋白（CFH）誘導的損傷具有保護作用，能夠減輕CFH引發的毒性、氧化應激、線粒體破碎和內皮細胞損傷。

1.3 神經系統類器官

神經系統類器官，尤其是大腦類器官和前腦類器官，常用于研究營養物質對神經發育、腦功能以及腦腸軸的影響。例如，Yan Haoni等利用前腦類器官模型發現葉酸通過單磷酸腺苷激活的蛋白激酶/叉頭盒O類（AMPK/FOXO）通路可減輕高糖環境下的神經元凋亡和異常細胞遷移，對妊娠期糖尿病導致的胎兒神經發育損傷具有保護作用。Wang Xianli等使用小腸類器官比較了0～6 個月嬰兒配方奶粉和母乳在營養吸收和代謝方面的差異，揭示了不同配方奶粉中添加成分對嬰兒生長發育的特定影響。Berdenis van Berlekom等使用大腦類器官模型發現補充蘇氨酸、組氨酸和賴氨酸可抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）活性，顯著減小類器官尺寸并引發基因表達變化。Tschuck等通過前腦類器官發現VA具有抗氧化劑和鐵死亡抑制劑的雙重作用，它能夠促進神經元發育。全氟/多氟烷基物質（PFAS）因防水、防油、摩擦力小且化學性質穩定而被廣泛應用于食品接觸材料中，研究發現接觸該類物質會導致腦類器官出現類似阿爾茨海默病的神經病理學，證明了類器官在食品相關污染物的健康風險評估中的重要作用。Niswander等研究了神經管缺陷（NTDs）的遺傳與環境因素相互作用，通過人脊髓神經管類器官重點分析了孕期鐵缺乏對NTDs風險的影響及葉酸和復合維生素礦物質補充的預防效果。腸道致病菌的失調及其引發的神經炎癥，會進一步導致一系列胃腸道疾病和中樞神經系統疾病，已有大量研究通過大腦和腸道類器官模型證明，植物多酚、黃酮類化合物和維生素可以抵消這一疾病狀態下的氧化應激和炎癥過程。這些研究凸顯了腦類器官在個性化營養醫學研究和疾病模型構建中具有重要的應用潛力。

1.4 生殖系統類器官

生殖系統類器官在研究營養物質對生殖健康的作用方面展現出巨大的潛力。這些類器官模型能夠在體外重現生殖系統的結構和功能，包括卵巢、睪丸和子宮等器官的主要細胞類型，尤其適合研究營養物質對生殖細胞發育和生殖系統健康的影響。已有研究通過子宮類器官證明褪黑素和白藜蘆醇能夠減輕雙酚A對子宮的分子和代謝毒性，VD3可以通過磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B（PI3K/AKT）/mTOR通路介導的自噬調節減輕牛子宮內膜類器官的炎癥。同時VD還被證實能夠調控Wnt活性并加速前列腺類器官的分化。這些研究表明類器官模型在評估功能食品有效分子對生殖健康影響中的應用價值。

02

類器官在營養評價中的應用場景

隨著營養科學研究不斷拓展，食源物質在調節免疫、維持屏障、影響代謝和微生態穩態等方面的重要作用日益受到關注。類器官作為高度仿生的三維體外模型，已廣泛應用于營養吸收、信號調控、毒理安全性、微生態互作及個體化干預響應等領域，成為食源物質作用機制研究的重要工具（圖1）。對此總結了類器官在營養評價中應用的研究（表1）。

2.1 營養吸收與轉運機制

類器官是一種源自多能干細胞（PSC）或成體干細胞（ASC）的3D自組織結構，能夠模擬腸道和其他器官的吸收過程，從而能夠詳細研究不同營養物質的攝入及其對人體健康的影響。通過誘導人類多能干細胞分化為小腸類器官，研究發現高密度脂蛋白膽固醇攝入可減弱禁食和再禁食狀態之間的差異。除此之外，腸道類器官也被用于模擬母乳成分的吸收，如研究母乳中復雜磷脂的脂質體消化產物。值得一提的是，腸道類器官在研究母乳中的HMO方面取得了重要進展。早在2019年，就有研究者利用小鼠腸道類器官發現，HMO能夠直接誘導包括蛋白二硫異構酶（PDI）在內的伴侶蛋白的表達。此后，Zito等發現，即使在完全缺乏微生物群的情況下，HMO也能刺激腸道類器官的生長，增加細胞增殖和干細胞活性。

在病理狀態下，類器官也可模擬營養吸收障礙。例如，在短腸綜合征（SBS）中，研究人員通過回腸衍生的類器官替換原生結腸上皮生成了功能性小腸化結腸，該類器官具有營養吸收功能，能夠顯著改善SBS大鼠模型的腸衰竭，為腸類器官用于再生提供了證明。腸道類器官模型研究發現SLC39A8影響金屬錳的吸收，并可能作為錳穩態受損相關炎癥性腸病的治療靶點。

腎臟類器官在營養轉運研究中也發揮重要作用。例如，胱氨酸病iPSC誘導的腎臟類器官能夠模擬胱氨酸負荷、溶酶體增大、基礎自噬缺陷等典型病理表型。Rinschen等通過腎臟類器官研究了脂質激酶VPS34如何改變營養轉運蛋白的細胞表面豐度并進一步影響營養物質吸收轉運以及病毒感染。此外，小鼠小腸道類器官也用于藥物與營養物運輸和腸促胰島素分泌評估，顯示出廣泛應用前景。

2.2 營養代謝與信號調控

類器官的復雜細胞組成和結構完整性為營養代謝調控的研究提供了理想平臺。研究顯示，不同營養狀態可顯著調控代謝相關基因表達。基于仔豬腸道類器官的研究發現，鐵缺乏可通過抑制Wnt信號通路從而抑制類器官中干細胞增殖，進一步導致腸道類器官生長發育受限。Perlman等通過限制培養基成分開發得到了營養不良類器官，確定了營養不良條件下的腸上皮狀態及生物標志物。Sauer等發現鋅缺乏能夠損害腸道屏障完整性并激發促炎信號，并可能通過炎癥和腸道微生物改變進一步影響大腦發育。Elbadawy等發現，甲硫氨酸和膽堿的缺乏會顯著激活小鼠肝類器官中肝星狀細胞標志物α-平滑肌肌動蛋白的表達，這表明出現了肝損傷或慢性肝病的跡象。在甲狀腺類器官中，碘過量激活了X-框結合蛋白1介導的未折疊蛋白反應，抑制了甲狀腺激素合成相關基因的表達。VB1缺乏通過減少IL-4＋ ILC2和產生IL-25的小束細胞，影響腸道免疫環境。VA和VD過量也被發現可能通過Janus激酶/STAT5信號通路調節抗菌肽的表達，揭示了維生素攝入與免疫平衡之間的復雜關聯。

2.3 膳食干預作用機制

膳食干預對健康具有顯著影響。合理的膳食結構可以預防和管理慢性疾病，提高人群的健康質量。?uligoj等研究發現喂食小鼠無麩質飲食后，腸道類器官中雙糖酶（DS）的活性顯著增加，這有助于預防腹腔疾病。同樣也是在小鼠小腸類器官中，有研究表明可發酵碳水化合物能夠產生食欲抑制激素肽，從而減少食物攝入量，并預防飲食誘發的肥胖。富含維生素和礦物質的飲食能增強免疫功能，促進消化健康，并有助于心理健康。Zhang Shuai等發現，辣木葉水提物能夠保護結腸類器官免受TNF-α誘導的損傷，并顯著降低炎性細胞因子的表達，從而預防結腸炎癥反應。根據Beisner等的研究，菊糖和丁酸鈉能夠有效改善小鼠小腸類器官中由于西式飲食導致的腸道屏障功能障礙及肝脂肪變性，這對人群的膳食有很大的參考意義。有研究發現柿子果膠飲食對小鼠小腸中段的絨毛長度產生了輕微的增加，顯著增強了隱窩的形成能力，同時Lyz1和Olfm4的mRNA水平也顯著上升，表明柿子果膠可能在促進小腸結構發育和功能方面發揮了積極作用。總體而言，個性化的膳食干預和均衡的營養攝入是維護和改善人群健康的重要手段。然而不同個體的遺傳背景、代謝特征和生活方式不同，對相同膳食的反應也可能不同，因此個體化類器官技術的引入有望將制定更加個性化、精準化的膳食方案變為現實，能更有效地達到健康目標。

2.4 食物過敏反應模擬

食物過敏反應是由于食物中特定蛋白質引起免疫球蛋白E介導的免疫系統激活引起的，常影響皮膚、胃腸道、呼吸系統、心血管或神經系統等，嚴重時甚至危及生命。傳統的食物過敏研究主要依賴于動物模型和體外實驗，但這些方法無法完全模擬人類免疫系統。類器官技術提供了一種新穎的體外模型，能更精確地模擬人體組織，尤其是包含免疫細胞或與免疫細胞共培養的模型，為研究個體對食物過敏原的反應提供了新方法。Noah等識別出通過IL-13/CD38/cADPR通路介導的分泌性抗原通道幫助食物過敏原穿過小腸上皮層的機制，并在類器官模型中驗證了該機制在人類中的保守性。Ne?i?等發現致敏蛋白獼猴桃主要過敏原Act d 1在類器官和人類細胞模型中會破壞腸上皮細胞的緊密連接，引發炎癥反應。

2.5 功能性食品與安全性評價

功能性食品是指除基本營養作用外，還能對機體特定功能產生調節、預防疾病或促進健康的食品，其核心活性成分多包括抗氧化劑、多酚、維生素、礦物質及不飽和脂肪酸等。類器官模型因具備高度模擬人體組織微環境的能力，成為研究功能性食品作用機制的重要工具，特別是在抗炎、抗氧化、組織修復與屏障保護等方面顯示出巨大潛力。

在抗炎機制方面，多項研究已證實功能性食品中的植物化合物可通過調節免疫通路抑制炎癥反應。Zhu Xiangzhu等發現原花青素B2通過激活Nrf2/抗氧化反應元件信號通路抑制氧化應激，能激活腸干細胞驅動的再生以及修復炎癥誘導的腸道損傷。Li Ya等發現兒茶素能夠調節Nrf2和Wnt信號通路，抑制氧化應激并促進腸干細胞活性，從而在放射損傷后保護腸道并促進腸上皮再生。同樣的，山柰酚也通過激活Nrf2相關通路以及增強線粒體質量控制蛋白，減輕LPS誘導的前列腺類器官中的線粒體損傷和ROS產生。阿魏酸通過抑制內質網應激和炎癥反應，改善腸道上皮屏障功能。

腦類器官模型也揭示了某些功能性食品的神經保護潛力。Wang Yanli等通過腦類器官及D-半乳糖誘導的神經損傷模型，證實了白藜蘆醇通過促進神經細胞增殖、抑制細胞凋亡等方式發揮神經保護作用。值得注意的是，有研究表明多酚具有雙重作用，低濃度有益多酚可以通過激活Nrf2和vitagenes通路發揮抑制氧化應激和炎癥作用，但Nrf2的持續上調會導致腦癌生長和化療抗藥性，這可以引發研究者對抗炎食品劑量及長期安全性的思考。

除了上述積極作用，類器官模型亦為功能性食品潛在毒性評估提供了重要手段。例如，有研究使用腸道類器官對多種膳食成分進行劑量反應測試，發現咖啡酸可劑量依賴性抑制類器官生長，姜黃素作用具有濃度相關波動，而VC則未顯示明顯毒性。在添加劑毒性研究中，日落黃被證實在類器官中可抑制腸上皮細胞增殖、擾亂分化，并誘導內質網與氧化應激反應；動物實驗證實其還會加劇炎癥模型中的腸道損傷。這些發現提示，功能性食品的安全性不僅取決于成分本身，還需結合劑量、暴露時間及個體易感性等因素，類器官平臺正為建立更科學合理的營養劑量安全界限提供重要依據。

2.6 微生態-營養-宿主互作研究

營養素在腸道內的代謝及其對腸道微生態的影響，已成為當前營養科學和疾病機制研究的熱點。類器官模型作為高度仿生的三維培養系統，不僅能夠模擬宿主上皮細胞的結構和功能，還能與微生物共培養，從而為研究微生態-營養-宿主三者之間的動態互作提供了前所未有的體外工具。

首先，類器官模型可用于分析營養素（如膳食纖維、益生元）在體內的代謝轉化過程及其對腸道微生物群落結構與功能的調節作用。通過與微生物或其代謝產物共培養，研究者能夠深入探討營養因子如何影響微生物群的組成及其與上皮細胞的信號互作。例如，Williamson等開發了一種高通量微注射平臺，可將微生物或營養物質直接施加到類器官腔內，從而實現更高效的“營養-菌群-上皮”互作機制研究。

在疾病模型構建方面，類器官也展示了對微生態干預效果的評估潛力。例如，在乳糜瀉研究中，通過將患者來源的腸類器官暴露于腸道微生物，發現腸道微生物衍生物（如丁酸、乳酸）可以改善上皮屏障功能并減輕對麥膠蛋白的促炎反應。在NEC研究中，已有證據表明腸道微生物群失衡是該病的重要致病因素，而一些益生菌能夠改善NEC。已有研究通過使用腸類器官間接說明母乳低聚糖能夠促進NEC中腸道上皮再生，并且與腸道菌群無關。進一步的研究有必要開發新的微生物-類器官共培養體系，以直接深入探討腸道菌群在NEC中的作用機制。

此外，益生菌在功能性食品領域的研究同樣受益于類器官模型的引入。已有一些研究通過類器官發現了益生菌在保護腸道上皮免受致病菌感染及調節腸道微生物群體的作用。類器官還被應用于食源性微生物感染后宿主器官的反應。例如，Forbester等通過iPSC來源腸類器官研究鼠傷寒沙門氏菌感染造成了大規模轉錄改變，主要是與白細胞介素相關的基因，其他類器官研究也證實了腸道菌群感染通過炎癥介質造成損傷。

03

類器官營養研究的方法學進展

類器官作為新興的三維體外模型，正被廣泛應用于營養科學中。為實現營養干預效應的精準評估，近年來相關實驗方法和平臺持續優化。本文將從形態學分析、培養技術、類器官芯片開發、高通量策略、多組學整合、圖像處理與生物信息學等方面，系統梳理類器官營養研究中的關鍵技術進展。

3.1 形態學觀察與生理功能檢測

評估營養因子對類器官的影響，常以形態學變化為初步依據。通過明場或熒光顯微鏡實時觀察，可識別類器官的數量、大小、腔道結構是否正常，是否存在空泡化、凋亡或壞死等異常表型，從而快速反映營養物的促增殖、抑制或毒性效應。進一步分析中，研究者可通過類器官的固定、包埋和切片，結合蘇木精-伊紅染色與免疫熒光標記，評估細胞分化狀態與組成。例如，在腸類器官中，常檢測吸收細胞、杯狀細胞、潘氏細胞或干細胞的分布比例，以及是否伴隨凋亡或應激反應。

在功能層面，類器官的上皮屏障與分泌功能是評估重點?？缟掀る娮瑁═EER）常用于單層類器官模型，量化上皮緊密連接的完整性；熒光示蹤分子（如異硫氰酸熒光素-葡聚糖）可用于評估跨上皮通透性。激素分泌方面，可通過采集類器官培養上清液，結合酶聯免疫吸附試驗或質譜法，檢測胰高血糖素樣肽-1、PYY等激素水平，以評估營養干預的內分泌效應。對于特定類器官，如肝類器官可檢測白蛋白、尿素等，腎類器官可監測尿蛋白生成，從而反映營養素對器官功能的調控影響。

3.2 三維培養與極性控制

三維培養是類器官構建的核心，區別于傳統二維系統，其允許細胞在立體環境中相互作用，形成接近體內微環境的組織結構。Matrigel等天然水凝膠基質作為細胞外基質支架，能夠支持干細胞的增殖和分化，克服了二維平面培養中細胞極性和信號傳遞失真的問題。通過調控基質的剛度、孔隙度及生長因子濃度，可進一步影響類器官的生長效率與譜系分化。近年來，合成水凝膠等化學定義支架逐步替代天然基質，為標準化和可控培養提供了新工具。

營養干預實驗中，藥物或營養物的給藥方式需確保其可有效作用于靶細胞。上皮類器官如腸道類器官，通常形成頂端朝內、基質包覆的中空結構，使外源物難以接觸腔面吸收細胞。為此，傳統策略為顯微注射法，將實驗物質直接注入類器官內腔。近年來，極性控制成為更便捷的新策略，如反轉極性培養（頂端朝外培養），通過懸浮或低黏附條件誘導類器官形成外翻結構，使腔面直接暴露于培養基中，便于物質接觸刷狀緣細胞并進行吸收與代謝研究。此外，類器官也可酶解為單層上皮細胞，接種于Transwell小室，構建類器官單層模型。此類模型頂端暴露于培養液中，可實現頂端-基底側分區處理，適用于營養物質跨膜轉運、電解質吸收與TEER測定等研究，顯著提升了功能檢測的靈敏性與可控性。

3.3 類器官芯片

類器官芯片技術結合微流控平臺與類器官模型，構建出更接近體內環境的模擬系統。該技術通過微尺度通道和控制裝置實現類器官的動態培養，使細胞在恒定流動、剪切力、梯度刺激等條件下生長，從而更真實地模擬腸道蠕動、血流灌注或藥物遞送等生理狀態。此外，類器官芯片也為多組織互作研究提供可能。例如，構建“腸-肝”或“腸-腦”類器官聯通系統，模擬營養物從腸道吸收后在其他組織中的代謝或信號傳導過程，為系統性營養機制研究提供全新平臺。

在營養研究中，類器官芯片可用于模擬腸道對營養物的吸收過程。例如，腸道類器官在芯片內排列于微流控通道中，研究者可施加不同濃度的營養因子，并實時采集流出液，結合質譜分析吸收或代謝產物。此外，芯片系統還能集成傳感器，實現pH值、電導率、TEER等多參數在線監測，提升對營養-功能關系的解析能力。

3.4 高通量篩選

為提升營養因子篩選的效率，研究者已將類器官技術與高通量篩選平臺結合。通過微孔板（如96、384 孔）培養體系和液體處理機器人，可實現類器官的大規模標準化培養與處理。自動化成像系統則可高效捕捉形態學變化，如類器官直徑、生長速度、熒光信號強度等，構建量化指標用于功能評估。

在營養研究中，研究者可同時測試數十至上百種化合物對類器官增殖、毒性、代謝的影響，結合統計模型或機器學習方法進行多維數據分析，篩選出具有生物活性的候選營養因子。這種策略尤其適用于功能食品成分或植物提取物的高效篩查，推動營養干預從經驗驅動轉向數據驅動。

3.5 組學分析

類器官模型提供了進行多組學研究的理想平臺。在特定營養處理條件下，可提取類器官樣本進行轉錄組、蛋白組、代謝組等分析，系統揭示營養物對細胞功能、信號通路及代謝網絡的調控機制。例如母乳與配方奶對類器官影響的研究綜合應用了轉錄組學和代謝組學，從基因表達和代謝產物兩個層面揭示營養源差異帶來的細胞通路變化。近期有研究利用人小腸類器官對比分析了幾種嬰兒配方奶和母乳的營養效應，通過轉錄組和非靶標代謝組的數據整合，找出了與腸道發育相關的AMPK、Hippo等信號通路和關鍵分子。這類分析相比傳統單一指標測量，更能提供系統性調控信息。值得一提的是，類器官還可以用于單細胞組學研究：通過提取類器官細胞進行單細胞RNA測序，可以觀察營養處理是否改變了不同細胞亞群的比例和狀態，從而了解諸如“飲食在干細胞譜系偏移中作用”這類問題的答案。整合多維度組學數據能夠幫助建立營養作用機制的全景圖，是當前類器官營養研究的重要技術方向之一。

3.6 圖像分析與生物信息學工具

隨著類器官研究的數據量和復雜度不斷上升，基于圖像和數據的智能分析工具成為關鍵支撐。圖像處理方面，借助人工智能特別是深度學習算法，可實現對類器官形態特征的自動識別與分類，極大提升了分析效率與一致性。

在生物信息學方面，已有多種專為類器官設計的數據處理平臺或R/Python工具包支持從原始測序數據中挖掘生物學信息，如Seurat、Scanpy用于單細胞數據分析，MetaboAnalyst支持代謝組統計，MARMOT適用于光譜流式細胞術數據，OrganoSeg用于3D培養物明場圖像處理分析等。這些工具與圖像數據、表型數據聯動，能夠多維度解析營養影響機制，為其研究提供強大技術支撐。

04

結 語

4.1 食品營養領域中類器官評價方法與傳統評價模型相比的優勢與不足

在食品營養領域，類器官評價方法相較于傳統評價模型具有一定優勢。類器官模型能夠三維模擬人體組織的復雜結構與功能，能夠更好地反映出營養物質在人體內的真實吸收、代謝和毒性影響。常用的營養評價細胞系主要是Caco-2細胞系和微孔膜上培養的極化Caco-2單層，它具有腸道細胞相同的微絨毛結構、細胞間緊密連接、水解酶分泌以及物質轉運等功能，因此單層Caco-2模型被廣泛應用于食品營養研究中。然而由于Caco-2細胞不存在杯狀細胞、潘氏細胞和腸內分泌細胞等細胞類型，因此無法完全模擬腸道的功能和互作。與傳統的二維細胞培養相比，類器官能更精確地重現人體的生理環境，具備多種細胞類型和結構特征，有助于評估不同營養物質的系統性作用。動物模型盡管擁有腸道復雜微環境可以提供整體性反應，但由于遺傳物種特異性差異和通量低，難以滿足更高的要求。此外，類器官技術的發展促進了高通量篩選和個性化營養評估的進步，提供了快速篩選大量化合物的能力，從而減少了對動物實驗的依賴，符合倫理與環保需求。

盡管類器官技術在食品營養評價中的應用潛力巨大，但目前仍然存在一定局限。首先，類器官培養的高成本和高技術門檻限制了其大規模推廣應用。其次，類器官技術尚未完全標準化，類器官模型在長期培養過程中，可能發生分化不完全或表型漂移，并且不同實驗室在培養方法和條件上的差異可能導致結果的可重復性和一致性不足。同時，類器官模型缺乏血管化和免疫系統成分，使其難以全面模擬體內的血液供應、免疫反應和多器官互作，限制了其在營養素的全身代謝與免疫效應方面的研究應用。此外，許多類器官還表現出極性和空間分布不足、缺乏支撐性結構等問題，例如腸類器官中的上皮細胞頂端位于類器官內部。因此，未來類器官技術的發展方向包括優化培養條件、降低成本，以及結合體外多器官芯片技術，以期提供更全面和系統的營養評價模型。

4.2 基于交叉學科的評價方法將成為未來發展趨勢

未來，類器官技術在營養評價中的應用潛力將通過多學科交叉的整合進一步擴大和深化。隨著生物工程、數據科學及微生物學等學科的迅速發展，類器官在個性化營養評估和復雜營養體系研究中的應用呈現出新趨勢。

首先，個性化食品開發將成為未來類器官技術的關鍵應用方向。通過構建源于個體細胞的類器官，研究人員已經將類器官用于個性化醫療中。這一方法在個性化食品中的進一步應用不僅可以提供個體化的營養吸收和代謝數據支持，還為疾病患者的飲食方案的設計開辟了新途徑，有望進一步推動個性化食品的發展。

其次，微生物群體模型的結合將顯著提高類器官在營養評價中的生理相關性。人類腸道微生物群對營養吸收及免疫調控具有重要作用，將微生物群體與腸道類器官共培養有助于研究宿主-微生物之間的營養交互作用。這種整合模型為探討不同膳食成分在多種微生物環境中的代謝行為提供了可能性，為未來更加精細化的營養評價奠定了基礎。

在3D打印與多器官芯片系統的支持下，類器官模型的形態和結構還原性也將獲得顯著提升。通過3D打印技術，研究人員可以精確重構類器官的三維結構，實現更穩定和功能性更強的體外模型。生物電子類器官等傳感器集成器官芯片的引入則為實時監測類器官內的風味感知、營養吸收代謝、電生理活動提供了精確的數據支持。多器官芯片系統的融合則使得類器官在多器官交互、復雜營養代謝和系統毒性評估中的應用變得更加全面，進一步增強了類器官模型在模擬體內營養代謝途徑方面的能力。

此外，多組學與大數據及人工智能技術為生物學研究提供了多維度的數據支持。多組學技術整合了營養物質的基因、蛋白、代謝等多層次信息，結合人工智能算法，可以在海量數據中識別出營養素對細胞健康的關鍵影響因素。此外，人工智能算法還被用于類器官培養條件優化、影像識別和分化狀態等研究中。這種數據驅動的分析模式不僅揭示了類器官實驗的復雜機制，還為營養學研究及類器官構建提供了指導。

基因編輯技術的應用為類器官研究帶來了全新的基因水平解析工具。利用CRISPR/Cas9等基因編輯技術可以在類器官中模擬特定疾病的狀態，為解析消化系統遺傳疾病和個體化營養提供了更為精確的評價模型。

近年來，國際監管政策也逐步向非動物評價方法傾斜。美國食品藥品監督管理局自2022年《現代化法案2.0》起正式取消新藥研發中動物實驗的強制要求，并于2025年4月宣布將分階段取消單克隆抗體等藥物研發中的動物實驗，轉而鼓勵采用類器官、器官芯片及人工智能模型等新興非動物性替代方法，以提升預測準確性、降低成本并加速產品上市進程。這一政策轉向為類器官在食品營養評估中的跨領域應用提供了參考和推動。未來，類器官技術在營養評價中的應用潛力將通過多學科交叉的整合進一步擴大和深化。

通信作者：

王慧二級教授/博士生導師

上海交通大學公共衛生學院 院長

上海交通大學數字醫學研究院執行院長，上海交通大學醫學院單細胞組學與疾病研究中心中方主任，上海市黃浦區僑聯主席，上海交通大學醫學院僑聯主席。國家杰出青年科學基金獲得者、國家百千萬人才工程入選者、中國青年女科學家獎獲得者享受國務院特殊津貼專家。國務院食品安全委員會專家委員會委員，國家健康科普專家，中國營養科學界首席專家，第一屆食品安全國家標準審評委員會微生物分委會主任委員，上海市毒理學會理事長，上海市大數據社會應用研究會數字健康專委會主任委員，上海市食品安全風險評估專家委員會膳食營養專業委員會主任委員，Elsevier高被引學者，科技部重點專項首席科學家。長期從事主動健康與慢病防控、營養與食品安全、健康教育與健康傳播的基礎和應用研究。在《Nature》《JAMA》等國際雜志發表SCI論文200余篇，主編專著9 部，申請專利60 項，成果轉化7 項，形成國家、行業標準25 項，獲上海市優秀教學成果一等獎。

第一作者：

何牮副教授/碩士生導師，上海交通大學醫學院單細胞組學與疾病研究中心單細胞測序平臺主任主持多項國家級和省部級項目，作為項目骨干參加科技部十四五重點研發計劃，任中國毒理學會化妝品安全與科學監管專委會常務委員、遺傳咨詢師等。在《Journal of Clinical Investigation》《Clinical Cancer Research》《Genome Research》《Chemical Reviews》《EBioMedicine》《MedComm》等國際知名雜志發表SCI收錄的論文70余篇，編寫人衛出版社教材1 部，申請專利30余項，成果轉化3 項，形成多項行業標準。

本文《類器官技術在營養評價中的應用》來源于《食品科學》2025年46卷第19期347-359頁，作者：何牮，周獻超，張晶晶，沈夢碧，孟梅，邱紅玲，王慧。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20241218-156。點擊下方閱讀原文即可查看文章相關信息。

實習編輯：李雄；責任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網