在生命科学研究领域，类器官作为能模拟原生组织结构与功能的 3D 细胞集合体，已成为疾病建模、药物研发和再生医学的核心工具。然而，传统静态培养难以满足类器官对微环境的复杂需求 —— 营养梯度失衡、氧供不足、成熟度低下等问题，始终制约着类器官技术的突破。近年来，生物反应器技术的快速发展为解决这些难题提供了全新方案，其通过 调控培养环境，让类器官培养从 “被动维持” 迈向 “主动调控”。

近期，International Journal of Molecular Sciences期刊上一篇题为《Bioreactor Technologies for Enhanced Organoid Culture》的研究，对类器官培养领域的四种核心生物反应器技术进行了系统梳理，为相关研究提供了关键的理论与实践参考。

四类核心生物反应器：各有专精的 “培养大师”

目前，应用于类器官培养的生物反应器主要分为四大类，它们凭借设计满足不同研究需求：

图1. 类器官培养常用生物反应器类型

1. 搅拌式生物反应器（SBR）：规?；嘌?“效率担当”

搅拌式生物反应器堪称类器官大规模培养的主力。其核心是通过轴向或径向叶轮的旋转产生流体动力，实现培养基的均匀混合与高效传质。这种设计不仅能提升氧气和营养物质的传递效率，还能通过调控搅拌速率，为不同类型的类器官提供适宜的生长环境。

在实际应用中，搅拌式反应器已展现出显著优势：在脑类器官培养中，它能有效缓解静态培养中常见的核心坏死问题，促进类器官体积增大和结构连续性；而在肝类器官研究中，通过 85 RPM 的搅拌速率，可诱导肝细胞标志物（如 CYP3A4、ALB）的高表达，其功能成熟度远超静态培养组。不过，需注意的是，过高的搅拌速率可能产生剪切应力，对视网膜等敏感类器官的精细结构造成损伤，因此需根据细胞类型优化参数。

图2. 搅拌式培养瓶中类器官向功能性肝细胞的分化。类器官在搅拌式培养瓶或静态对照组中分化12天。

2. 微流控生物反应器（MFB）：微环境调控的 “ 工匠”

微流控生物反应器以微米级通道和腔室为核心，通过 控制流体流动，实现对营养供应、信号分子浓度梯度的精细化调控。其优势在于：一方面，可通过多通道设计同时引入不同培养基或试剂，模拟体内复杂的生理微环境；另一方面，集成的传感器能实时监测 pH、氧气浓度等参数，为研究提供动态数据支持。

例如，在视网膜类器官培养中，微流控芯片通过多孔膜分隔视网膜类器官与视网膜色素上皮细胞（RPE），并模拟体内液体流动，显著促进了光感受器外段结构的形成 —— 这一结构在静态培养中极难生成。此外，肝类器官在微流控系统中可形成类似肝小叶的结构，且白蛋白分泌等功能指标维持时间更长，为药物代谢研究提供了更接近体内的模型。

图3. 使用简易三维灌注芯片系统实现hiPSCs原位生成肝脏类器官的示意图及芯片系统中hiPSCs分化为肝脏类器官的特征分析。

3. 旋转壁式生物反应器：低剪切环境的 “模拟专家”

旋转壁式生物反应器由 NASA 研发，其核心设计是通过容器的旋转产生 “模拟微重力” 环境，在低剪切应力下实现培养基与类器官的充分接触。这种设计特别适合对剪切力敏感的类器官，能减少机械损伤并促进细胞间相互作用。

在视网膜类器官培养中，RWV 能加速其成熟进程 —— 与静态培养相比，视网膜类器官在 RWV 中可提前 1 周达到相同的成熟度，且基因表达模式更接近在体视网膜。此外，RWV 培养的神经内分泌类器官在移植后血管化能力显著增强，这为类器官的临床应用奠定了基础。不过，操作中需避免气泡产生，否则可能因局部剪切力骤增影响培养效果。

图 4. 不同培养条件下类器官的生长情况。SSCi：完整类器官静态悬浮培养；SSCd：分离的神经视网膜静态悬浮培养；RWV：分离的神经视网膜旋转壁式生物反应器培养。

4. 电刺激生物反应器（ES）：功能成熟的 “激活利器”

电刺激生物反应器主要通过电极施加特定频率、振幅的电信号，模拟体内电生理环境，促进兴奋性组织类器官的功能成熟。其核心优势在于针对性激活细胞信号通路，加速功能细胞的分化与成熟。

在心脏类器官研究中，电刺激（如 2 Hz 频率）可显著提升心肌细胞的肌节排列完整性和收缩同步性，甚至能诱导类器官适应更高频率的搏动；而在神经类器官培养中，电刺激能促进 neurite 生长和突触形成，对修复神经损伤模型具有积极作用。目前，商业化的电刺激系统（如 IonOptix C-Pace）已实现标准化操作，而定制化系统则可通过电极材料和参数优化，进一步提升刺激效率。

图 5. 电刺激（ES）对原代神经类器官的影响。

挑战与未来：从实验室到临床的进阶之路

尽管生物反应器技术已取得显著进展，但其在规模化应用中仍面临挑战：搅拌式反应器的剪切力控制、微流控芯片的批量生产难度、RWV 的气泡干扰问题，以及电刺激参数的标准化等，均需进一步优化。此外，如何实现多种技术的融合（如 “微流控 + 电刺激”），构建更接近体内的复合微环境，将是未来的重要方向。

值得期待的是，随着材料科学和自动化技术的发展，生物反应器正朝着 “集成化、智能化” 方向演进：集成传感器的实时监测系统可实现培养过程的动态调控；3D 打印技术的应用则能快速定制个性化反应器结构；而类器官与生物反应器的结合，不仅能推动基础研究的深入，还将为药物筛选、个性化医疗提供更可靠的模型。

生物反应器技术的进步，正在重新定义类器官培养的边界。从单纯的 “容器” 到 “微环境调控平台”，它不仅解决了类器官培养的技术瓶颈，更让我们得以在体外 模拟生命活动的复杂过程。未来，随着技术的不断迭代，类器官有望真正成为连接基础研究与临床应用的 “桥梁”，为生命科学研究和疾病 带来革命性突破。