近期，上海大学转化医学研究院/上海交通大学医学院附属新华医院骨科苏佳灿教授团队在期刊 SmartMat 上发表综述文章："Artificial Intelligence for Organoids Multidimensional Assessment"。此综述工作将AI在基因组学、组织学、形态学、功能特性和药物筛选等五个方面对类器官评价进行了系统的分析论述，为类器官评价提供了新的视角与策略。上海大学转化医学研究院莫与琳博士、王健博士、杨慧健博士为论文共同第一作者，上海大学转化医学研究院/上海交通大学医学院附属新华医院苏佳灿教授、上海大学转化医学研究院徐可研究院、白龙副研究员为论文共同通讯作者。
类器官已成为各种生物医学研究领域不可或缺的一部分，包括疾病发病机制、疾病模型构建、再生和精准医学、药物筛选、组织和器官发育、毒理和病理学分析等。然而，类器官类型的多样性及其生产过程的变化导致了其评估和分析应用的不一致性。目前，还没有建立评估类器官的全面标准或指南。AI技术广泛应用于生物医学图像分析、数据处理和分子结构预测，在评估类器官方面亦显示出独特的优势。
一、类器官评价尚未统一
类器官是多细胞、多层次的复杂系统，各种类型的类器官含有不同的多功能干细胞和生物支架材料，目前还没有建立评估类器官的统一标准或指南。因此，建立一个标准化的评估体系来评价类器官至关重要。
图1. 类器官的多样性与复杂性
(A) 不同类器官具有不同的三维形态结构, (B) 类器官在构建过程中遗传信息不稳定, (C) 类器官形成需要不同来源的干细胞或祖细胞, (D) 类器官生长发育过程中结构形态与功能特性具有不确定性, (E) 不同阶段类器官的代谢组分呈现多样性特征
二、应用AI技术评价类器官的优势
AI技术在类器官评价中具有显著优势和前景。首先，高度自动化和智能化的特性极大提升了实验效率和准确性。其次，通过分析和挖矿海量数据集AI能够发现传统方法难以检测的规律与关联性。此外，AI还能确保操作标准化且可重复，从而提高实验结果的可靠性。
图2. 应用AI评价类器官的技术优势
三、应用AI技术评价类器官组学
基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和单细胞测序等组学技术是研究类器官的关键方法。组学技术极大地推动了类器官在药物筛选、疾病建模、再生医学和精准医学等领域的研究与应用。人工智能与类器官组学评估的融合，进一步提升了分析效率，促进了对类器官生长发育和疾病进展机制理解的创新。
图3. 应用AI技术评价类器官单细胞测序示意图
四、应用AI技术评价类器官组织学及形态学
目前AI在组织学中的应用主要集中在病理图像分析、疾病诊断和药物研发。通过深度学习和图像识别技术，AI能够自动识别肿瘤和炎症等病理区域以及细胞形态和排列等微观特征，从而提高诊断的准确性和效率。AI还能自动提取并分析多种形态学特征，如细胞核的大小、形状及分布情况，通过对各类疾病状态下组织或器官形态特征的学习训练，能够自动识别和分类不同病变，为疾病早期诊断治疗及药物筛选提供重要支撑。
图4. 应用AI评估类器官组织学与形态学的示意图
五、应用AI技术评价类器官功能特性
作为体外实验模型，类器官旨在模拟人体器官或组织的结构和功能并预期展现出与对应器官或组织相似的功能属性。类器官的功能特性主要体现在几个关键方面。首先，类器官高度近似于对应人体器官和组织的结构，包含相似的细胞类型和组织层级。其次，类器官能够保持基因表达和表型的稳定性，准确反映人体环境。第三，类器官具有自我更新和分化的能力，能够模拟人体器官的发育过程。第四，类器官能产生与真实器官或组织相似的对外界刺激的生物反应。AI技术的整合显著提升了评估这些功能特性的可信度。
图5. 应用AI评估类器官功能特性示意图
六、应用AI技术评价类器官药物筛选
传统药物筛选方法主要依赖二维细胞培养和动物模型，这些方法存在诸多局限，如无法完全模拟人体生理环境、涉及伦理问题以及动物与人类生理反应存在差异。AI与类器官模型的结合为药物筛选带来了革命性变革，AI在该领域的作用主要体现在两个方面：首先，它助力大规模数据的挖矿与分析，快速锁定潜在药物靶点；其次，通过模拟药物动作机制并预测药物与生物大分子间的相互作用显著提升了药物研发的效率与准确性。
图6. 应用AI评估类器官药物筛选示意图
七、总结与展望
展望未来，人工智能在类器官评估中的应用有望变得更加广泛和便利。随着技术进步和算法优化的进步，人工智能将能够更精确地模拟和分析类器官的生物过程，从而更深入地了解它们的性质和功能。此外，数据的持续积累和共享将使人工智能能够更有效地整合和利用各种信息，为类器官评估提供全面和精确的支持。通过利用人工智能的能力，我们可以加深对类器官生物学的理解，并为疾病研究和药物开发开发更准确有效的工具。总之，人工智能在类器官评估中的应用是一个有前景的重要研究方向，对生物医学创新具有重要意义。
图7. 应用AI技术多维度对类器官评价示意图
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smm2.70016
