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本文來源：澳銀資本、維渡縱橫
Nature Methods 如此評價類器官技術(shù)：利用干細(xì)胞直接誘導(dǎo)生成三維組織模型，為人類生物學(xué)研究提供了強(qiáng)大的方法。
干細(xì)胞研究已經(jīng)成為了生物學(xué)研究的一個重要分支，而研究干細(xì)胞的目的之一是幫助我們更好地理解生命發(fā)生的各個維度。細(xì)胞和細(xì)胞之間通過間質(zhì)連接在一起形成細(xì)胞團(tuán)，由于細(xì)胞內(nèi)基因的差異化表達(dá)，進(jìn)而形成了各類器官和組織。
長期以來，科學(xué)家們都利用動物模型來進(jìn)行疾病研究和藥物開發(fā)。而隨著干細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們可以利用新的培養(yǎng)方法，將多能干細(xì)胞或/和成體干細(xì)胞誘導(dǎo)產(chǎn)生一些類似于體內(nèi)組織或者器官的三維結(jié)構(gòu)——于是，類器官誕生了。
目 錄
1 科普及市場規(guī)模
2 類器官和其他模型的比較
3 產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)崂?/span>
4 國家政策助力類器官培養(yǎng)
5 行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向
5.1 微流控芯片
5.2 AI結(jié)合高通量自動化
5.3 Biobank
6 行業(yè)競爭格局
7 最新科研進(jìn)展
7.1 3D打印微流控芯片
7.2 體外β細(xì)胞類器官
7.3 大腦自閉癥類器官
8 類器官技術(shù)挑戰(zhàn)
1 科普與市場規(guī)模
類器官(Organoids)指利用成體干細(xì)胞或多能干細(xì)胞進(jìn)行體外三維（3D）培養(yǎng)而形成的具有一定空間結(jié)構(gòu)的組織類似物。盡管類器官并不是真正意義上的人體器官，但能在結(jié)構(gòu)和功能上模擬真實器官，能夠最大程度地模擬體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)及功能并能夠長期穩(wěn)定傳代培養(yǎng)（因此也被稱為“微型器官”）。
過去十年中，類器官的發(fā)展被譽(yù)為是干細(xì)胞研究中最令人振奮的進(jìn)展之一。早在 20 世紀(jì) 80 年代，“organoid”一詞就已經(jīng)提出，但直到 2009 年， 2009年，荷蘭科學(xué)家Hans Clevers團(tuán)隊成功將Lgr5+腸道干細(xì)胞在體外培養(yǎng)成具有隱窩狀和絨毛狀上皮區(qū)域的三維結(jié)構(gòu)，也就是小腸類器官（small-intestinal organoids），使得類器官的研究翻開了快速發(fā)展的新篇章[Nature. 459, 7244: 262–265]。
圖1 類器官發(fā)展歷程
2013年，類器官被Science 評為年度十大技術(shù)。2018年初，類器官被Nature Method 評為2017年度最佳方法。目前，多種臟器類器官已被成功構(gòu)建，其中包括小腸、胃、結(jié)腸、肺、膀胱、大腦、肝臟、胰腺、腎臟、卵巢、食道、心臟等，不僅包括正常器官組織類器官，還有相應(yīng)腫瘤組織類器官。
圖2 不同種類類器官形貌圖. (a）小腸類器官形貌圖.（b） 結(jié)腸類器官形貌圖.（c）食管類器官形貌圖.（d）胃類器官形貌圖.（e） 肝臟類器官形貌圖.（f）胰腺類器官形貌圖.（g）肺類器官形貌圖.（h）乳腺類器官形貌圖.（i）腎類器官形貌圖.（j）腦類器官形貌圖
近幾年，從PubMed公開發(fā)表文獻(xiàn)中搜索“Organoids”，涉及類器官技術(shù)的文獻(xiàn)數(shù)量呈現(xiàn)直線上升，其中不乏多篇CNS等各大頂級期刊文獻(xiàn)。中國發(fā)表的類器官文獻(xiàn)數(shù)量在全球的排名從第六位(2009-2019年)躍至第二位(2020年)，僅次于美國。中國科研積累的提升將加速類器官產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。
圖3 類器官文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量
類器官可以從成體干細(xì)胞(ASCs)、多能干細(xì)胞(PSCs)(即胚胎干細(xì)胞，ESCs)、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSCs)中衍生。類器官培養(yǎng)系統(tǒng)主要包括基質(zhì)膠、維持類器官生態(tài)所需因子和分化所需因子這幾個主要元素。基質(zhì)膠中含有膠原、巢蛋白和纖連蛋白等等，為類器官形成三維空間結(jié)構(gòu)提供基質(zhì)。維持類器官生態(tài)因子主要目的為促進(jìn)細(xì)胞的增殖和抑制細(xì)胞凋亡等。常用的基質(zhì)膠為美國BD Biosciences公司的Matrigel®，在行業(yè)內(nèi)處于較為壟斷的地位，價格較高。Matrigel可以產(chǎn)生類似于哺乳動物細(xì)胞基底膜的生物活性基質(zhì)材料，幫助多種類型的細(xì)胞達(dá)到附著和分化。
圖4 獲得類器官的方法
[Organoids: Definition, culturing methods, and clinical applications. CytoSMART. 2022]
類器官技術(shù)作為一種工具，在基礎(chǔ)研究和臨床診療研究中擁有廣闊的應(yīng)用前景，包括發(fā)育生物學(xué)、疾病病理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)以及藥物毒性和療效測試。這項技術(shù)也為再生醫(yī)學(xué)提供了巨大的潛力，通過用類器官培養(yǎng)物替換受損或患病的組織，為自體或異體細(xì)胞治療提供了可能性。
將類器官技術(shù)應(yīng)用于臨床，指導(dǎo)臨床用藥和精準(zhǔn)治療是近期類器官技術(shù)的主要發(fā)展方向。事實上，自2016年起，類器官技術(shù)已被納入臨床試驗中，截止到2020年9月，已有63項臨床試驗于FDA官方備案。中國國內(nèi)2017年起注冊且獲倫理委員會批準(zhǔn)的類器官臨床試驗研究有20項，涵蓋8個癌種，主要關(guān)注化療方法的療效預(yù)測，但已有研究開始關(guān)注免疫療法在類器官中的應(yīng)用(長海醫(yī)院，PD-1)。從癌種分布看，目前國內(nèi)研究癌種多為消化系統(tǒng)腫瘤、胰腺腫瘤、乳腺腫瘤。
圖5 2017以來開展了≥3個類器官臨床試驗項目的癌種
相關(guān)報道稱，2019年北美類器官市場達(dá)到2.9139億美元，預(yù)計將在2027年達(dá)到14.0647億美元，將以21.7％的復(fù)合年增長率增長。世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)顯示，2020年全球新發(fā)癌癥病例1929萬例，中國新發(fā)癌癥病例457萬例；2020年全球癌癥死亡病例996萬例，中國癌癥死亡病例300萬例。預(yù)估國內(nèi)類器官市場將達(dá)百億以上，隨著新的藥物管線的不斷涌現(xiàn)，臨床和患者對個體化治療的需求日益增進(jìn)，市場空間將持續(xù)增長。
2 類器官與其他模型的比較
目前，最常見的模型是細(xì)胞系、酵母、秀麗隱桿線蟲、黑腹果蠅、普通小鼠、斑馬魚、異種移植模型 (Patient-derived xenograft, PDX) 等，已被廣泛用于研究細(xì)胞信號通路、識別潛在的藥物靶點、開發(fā)新藥等方面，但也暴露出許多局限性。
（1）2D (Two-dimensional) 細(xì)胞系雖操作簡便，但通常只包含單一細(xì)胞類型，諸如腫瘤細(xì)胞系，缺乏原始腫瘤的異質(zhì)性并且在體外培養(yǎng)中基因組不穩(wěn)定。
（2）小鼠模型是大部分實驗室最常用的研究模型，但它和人類特有的生物現(xiàn)象存在固有差異，如大腦發(fā)育、新陳代謝和藥物療效等。
（3）非人靈長類 (Non-human primate，NHP) 雖然在系統(tǒng)進(jìn)化樹上和人類最接近，具有高度相似的免疫系統(tǒng)、大腦結(jié)構(gòu)和認(rèn)知功能，但是價格昂貴，同時存在倫理限制、成像觀察的局限性、不可控的復(fù)雜變量、難以進(jìn)行藥物高通量篩選等缺陷，限制其廣泛應(yīng)用。
因此，根據(jù)“3R”原則 (Reduce，Reuse，Recycle) 和物種保護(hù)原則，需要探索能夠縮小與人體差異又兼具穩(wěn)定、易操作、可廣泛應(yīng)用的模型替代系統(tǒng)，來研究遺傳多樣性、疾病發(fā)病機(jī)制和預(yù)測藥物反應(yīng)。
臨床試驗數(shù)據(jù)證實，直腸癌類器官（RCO）可以準(zhǔn)確概括相應(yīng)腫瘤的病理生理和遺傳變化?；颊叩幕瘜W(xué)放射反應(yīng)與RCO反應(yīng)高度匹配，準(zhǔn)確度為84.43％，敏感性為78.01％，特異性為91.97％。這些數(shù)據(jù)表明，PDO (Patient-Derived Organoids, 人源腫瘤類器官模型) 在臨床上可預(yù)測LARC患者的反應(yīng)，并可能成為直腸癌治療中的輔助診斷工具。
圖6 類器官模型與2D細(xì)胞系、小鼠模型、非人靈長類模型的比較
如上圖所示，根據(jù)類器官模型的特點，與傳統(tǒng)模型互補(bǔ)應(yīng)用而非取代，將為人類生物學(xué)研究開辟新的途徑。
與傳統(tǒng)模型相比，類器官具有以下特性：
2.1 速度快
類器官構(gòu)建成功率高以及培養(yǎng)速度快。常規(guī)來說，在類器官培養(yǎng)一周之后就可以進(jìn)行藥篩。從樣本采集到出具藥敏結(jié)果的全流程已經(jīng)可以很好地控制在2周之內(nèi)[N Engl J Med. 2019, 380(6):569-579]。
2.2 通量高
從可篩查的藥物通量來說，利用類器官不僅可以在孔板上進(jìn)行多種藥物的篩查，每個藥物還可以測試不同的濃度，多個實驗平行開展。
2.3 臨床相關(guān)性高
類器官用于癌癥藥篩的臨床相關(guān)性和預(yù)測有效性在多篇研究中都已經(jīng)得到了較為充分的證實。Vlachogiannis G團(tuán)隊在Science 發(fā)表了腫瘤類器官體外藥敏測試指導(dǎo)臨床用藥的里程碑式研究，在71位轉(zhuǎn)移性胃腸道癌提取了110份組織構(gòu)建了類器官，共測試了55種抗癌藥物。研究結(jié)果顯示，類器官藥篩達(dá)到了93%的特異性，100%的靈敏度、88%的陽性預(yù)測率和100%的陰性預(yù)測率，展現(xiàn)了極高的臨床相關(guān)性[Science. 2018, 359(6378): 920–926]。
圖7 藥篩模型對比
3 類器官產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)崂?nbsp;
類器官的產(chǎn)業(yè)鏈上游，以提供類器官培養(yǎng)的耗材（包括培養(yǎng)基、細(xì)胞生長因子、凍存液、消化液、基質(zhì)膠等）和設(shè)備為主，其中包括老牌的STEMCELL Technologies等細(xì)胞試劑提供商和專注于提供類器官試劑的新興公司（如Prellis Biologics的血管化3D Scaffold、X cell Biosciences的微環(huán)境模擬系統(tǒng)等）。
產(chǎn)業(yè)鏈中游，以提供人或者動物類器官的培養(yǎng)、類器官的凍存建庫以及類器官的傳代的服務(wù)為主。
產(chǎn)業(yè)鏈下游客戶主要分為科研應(yīng)用(高校/醫(yī)院)、臨床應(yīng)用(醫(yī)院/患者)和研發(fā)應(yīng)用(藥企/CRO)。部分人類疾病分析難以通過動物模型模擬來完成，且動物模型培養(yǎng)成本高、耗時長、重復(fù)性低，類器官模型能夠模擬正常組織及不同階段的癌變過程的組織；且其培養(yǎng)體系簡單易操作，時間和金錢成本較低，并具有較高效率。
圖8 類器官產(chǎn)業(yè)鏈
類器官的科研應(yīng)用目前主要集中在疾病模型研究、療效預(yù)測等方向。目前多所高校和醫(yī)院已經(jīng)開展了相應(yīng)的科學(xué)研究，如中科院、清華、浙大、北京天壇醫(yī)院、浙大附一等。PDO技術(shù)路線比起傳統(tǒng)路線的優(yōu)勢與潛能已獲得學(xué)界認(rèn)可，PUBMED發(fā)布的含Organoid的學(xué)術(shù)論文于2019年已經(jīng)超越PDX模型論文年發(fā)表數(shù)量，中國國內(nèi)2017年注冊且或倫理委員會批準(zhǔn)的類器官相關(guān)臨床試驗研究達(dá)到20項。
類器官科研市場相對增長緩慢，科研市場高度定制化需提供標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)。隨著科研市場進(jìn)一步發(fā)展和指南的推進(jìn)，國內(nèi)市場逐步擴(kuò)容，類器官在細(xì)胞與基因治療、免疫療法等模型科研服務(wù)方面將會有獨特的優(yōu)勢。
臨床研究應(yīng)用目前主要為癌癥中晚期患者提供精準(zhǔn)治療。病人直接試藥耗時長、風(fēng)險大且過程痛苦，特別是缺乏有效藥物只能通過化療的腫瘤患者，難以及時找到有效解決方案。而類器官可代替病人試藥，實現(xiàn)精準(zhǔn)治療。目前類器官以化療藥的敏感性檢測為主，而未來用于靶向藥和免疫治療則具有更大的潛力。目前包括南方醫(yī)院、長海醫(yī)院、華西醫(yī)院、復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院等醫(yī)院已經(jīng)開展了相應(yīng)的臨床研究。
目前類器官的臨床市場仍在培育階段：由于未寫入指南，患者的認(rèn)知度以及臨床醫(yī)生的送檢意愿有限，隨著PDO在臨床應(yīng)用的增加，預(yù)計在精準(zhǔn)治療趨勢下， PDO在臨床市場的需求將大幅度增長。類器官對于患者，尤其是對于缺乏有效藥物只能通過化療的腫瘤患者，有極大價值，其可以作為實現(xiàn)精準(zhǔn)治療的有效工具。
類器官在商業(yè)市場的應(yīng)用主要在新藥研發(fā)以及拓展適應(yīng)癥等方向。目前大約85%的臨床前藥物在進(jìn)入臨床試驗后開發(fā)失敗，造成巨大的花費和損失，而類器官可在臨床前進(jìn)行更充分的效價評估，對于后期藥物開發(fā)成本的降低有巨大的價值；在抗腫瘤藥物研發(fā)中，PDO能夠高通量低成本地反應(yīng)腫瘤異質(zhì)性，有效彌補(bǔ)PDX動物模型的不足；類器官作為“患者替身”的Phase 0“準(zhǔn)臨床試驗”，可提高臨床試驗成功率。國外大藥企包括羅氏、禮來等，國內(nèi)企業(yè)包括先聲、恒瑞、齊魯以及藥明康德等藥企與CRO也參與進(jìn)來。
目前類器官藥物研發(fā)市場仍在初始階段，藥企仍在觀望階段，類器官公司的目前收入主要為驗證服務(wù)。類器官非新藥遞交的必選項，藥企仍遵循適用性策略，且類器官技術(shù)成熟度和樣本庫存量仍有限，成為決策的主要顧慮。但不可否認(rèn)的是類器官技術(shù)能夠極大程度賦能藥企做風(fēng)險管理，并降本增效，藥物研發(fā)市場將具有最大的商業(yè)價值。在全球藥物創(chuàng)新大背景下，藥企對于新藥研發(fā)降本增效、提高成功率的需求劇增，未來對于類器官帶來的價值的支付意愿相較于其他市場更強(qiáng)。
4 國家政策助力類器官
科技部，衛(wèi)健委及CDE近2年不斷出臺政策為類器官的廣泛應(yīng)用松綁，同時人遺資源的監(jiān)管逐漸收緊，類器官產(chǎn)業(yè)將在鼓勵和規(guī)范政策并行的政策環(huán)境下發(fā)展。
2021年1月28日，科技部下發(fā)的《關(guān)于對“十四五”國家重點研發(fā)計劃6個重點專項2021年度項目申報指南征求意見的通知》中，把“基于類器官的惡性腫瘤疾病模型”列為“十四五”國家重點研發(fā)計劃中首批啟動重點專項任務(wù)。
2021年11月30日，國家藥監(jiān)局藥審中心發(fā)布《基因治療產(chǎn)品非臨床研究與評價技術(shù)指導(dǎo)原則（試行）》和《基因修飾細(xì)胞治療產(chǎn)品非臨床研究技術(shù)指導(dǎo)原則（試行）》（1），首次將類器官列入基因治療及針對基因修飾細(xì)胞治療產(chǎn)品的指導(dǎo)原則當(dāng)中。
在臨床市場，國家推行鼓勵LDT及ICL的實施，推進(jìn)科研成果轉(zhuǎn)化至臨床應(yīng)用。醫(yī)院可根據(jù)臨床需要，自行研制創(chuàng)新IVD試劑，并在院內(nèi)使用。其中上海浦東新區(qū)的醫(yī)院可以先行開展LDT。上海市衛(wèi)健委推行鼓勵LDT、第三方醫(yī)檢所的實施方案，支持市級醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)率先建立科研成果轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)，鼓勵和支持醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)委托第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)開展技術(shù)轉(zhuǎn)移服務(wù)。
5 類器官行業(yè)發(fā)展方向
目前類器官的技術(shù)發(fā)展重點主要有三個，分別是器官芯片、AI高通量自動化、類器官樣本庫(Biobank)。以微流控、3D打印技術(shù)為主的工程化解決方案將解決類器官現(xiàn)存弊端，并實現(xiàn)從研發(fā)端到商業(yè)應(yīng)用端的過渡，成為標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用工具。AI高通量自動化則可以應(yīng)用于樣本質(zhì)控以及培養(yǎng)、使用過程的標(biāo)準(zhǔn)化，提高成功率并優(yōu)化節(jié)約人工參與的時間，且便于臨床運用。而Biobank的建立使生理學(xué)相關(guān)的藥物篩選成為可能，利于將科研成果轉(zhuǎn)化為市場應(yīng)用。
5.1 微流控芯片
相較于其他技術(shù)，微流控芯片、3D生物打印解決了目前材料難成型、建模成型時間短，取樣小的問題，并且較大的體積可以滿足藥物的傳輸動力學(xué)需求。
微流控芯片相較于傳統(tǒng)動物實驗，擁有三個技術(shù)優(yōu)勢：
（1）更具成本效益：微流控芯片上的器官比傳統(tǒng)的動物試驗更具成本效益，同時比傳統(tǒng)類器官培養(yǎng)檢測，可以用更小的細(xì)胞/組織量測更多的指標(biāo)。
（2）更好模擬體內(nèi)環(huán)境和反應(yīng)：能夠控制細(xì)胞和特定組織結(jié)構(gòu)，且具備組織血管化及灌注能力。
（3）便于監(jiān)測健康狀態(tài)與動態(tài)：納入實時組織功能傳感器，如微電極或光學(xué)顯微鏡標(biāo)記物（如熒光生物標(biāo)記物）。
微流控芯片目前主要應(yīng)用在科研場景，仍然面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，主要的挑戰(zhàn)在于三個方面：
（1）集成技術(shù)難點：科研領(lǐng)域：國內(nèi)科研領(lǐng)域多用膜，但加工成本很高，很多學(xué)校的科研機(jī)構(gòu)在做膜的集成，但做得不好；商業(yè)領(lǐng)域：多數(shù)在培養(yǎng)皿/類培養(yǎng)皿結(jié)構(gòu)上借助水流和壓力完成，用膜結(jié)構(gòu)的技術(shù)難度大于膜的集成和膜的加工技術(shù)，培養(yǎng)皿作為成套系統(tǒng)，集成較難。
（2）重復(fù)性較低：給藥濃度的調(diào)控，最后樣品的收集，不是每次實驗都能重復(fù)得很好。性價比不高。
（3）硬件壁壘：與國外差距主要在于光刻機(jī)的精度、耐久性。
5.2 AI結(jié)合高通量自動化
與其他賽道類似，AI在類器官領(lǐng)域更多的是在未來大規(guī)模推廣和臨床使用中用更便捷的方式解決可機(jī)械化的人工問題。當(dāng)前AI科研熱點更多關(guān)注類器官培養(yǎng)端，而使用端結(jié)合大數(shù)據(jù)將會帶來更多的顛覆性商業(yè)機(jī)會。未來將AI、自動化技術(shù)結(jié)合微流控芯片形成軟硬件集成的智能解決方案將成為以后商業(yè)化的主流產(chǎn)品形式。
圖9 AI科研熱點
5.3 Biobank
Biobank目前醫(yī)院仍是樣本唯一合法來源，而多個機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始樣本庫的建設(shè)。而隨著科技部人遺辦監(jiān)管的不斷加強(qiáng)，未來Biobank將會有更多政府的參與和監(jiān)管。
圖10 Biobank產(chǎn)業(yè)鏈
當(dāng)前Biobank的難點在于：
(1) 樣本庫里組織有限，類器官模型目前的數(shù)量以及涵蓋的癌腫遠(yuǎn)不及PDX：
① 主要存儲的為主流癌腫：肺癌、腸癌、胃癌、乳腺癌，另外較多的還有胰腺癌和頭頸癌。
② 由于類器官公司主要通過提供藥敏檢測獲取樣本，正常組織類器官存儲量很有限。
(2) 類器官模型培養(yǎng)及維持的成本高，技術(shù)也有不足.類器官的復(fù)蘇與擴(kuò)增的失敗率較高，凍存穩(wěn)定性需要繼續(xù)挖掘。
6 類器官行業(yè)競爭格局
類器官行業(yè)在歐洲國家發(fā)展較為迅速，這和歐洲類器官科研最早起步以及積累最多息息相關(guān)。類器官的領(lǐng)頭人Hans Clevers成立的Hubrecht Organoid Technology（HUB）是類器官最早的研發(fā)中心，HUB技術(shù)授權(quán)促進(jìn)了Epistem、Cellesce、Crown Biosciences、STEMCELL Technologies在內(nèi)的一批類器官公司的涌現(xiàn)。
中國在類器官領(lǐng)域中，近年來呈現(xiàn)出科研數(shù)量大幅度上升的趨勢，尤其在2019—2020年這兩年間顯現(xiàn)出了強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量在全球的排名從第六位（2009—2019年）躍至第二位（2020年），僅次于美國。
2021年2月23日，國家藥品監(jiān)督管理局食品藥品審核查驗中心官網(wǎng)重磅發(fā)布《基因修飾細(xì)胞治療產(chǎn)品非臨床研究與評價技術(shù)指導(dǎo)原則》（征求意見稿），其中對動物種屬/模型選擇方面提到，當(dāng)缺少相關(guān)動物模型時，可采用基于細(xì)胞和組織的模型（如 2D和3D組織模型、類器官和微流體模型），這些模擬人體內(nèi)環(huán)境的模型也可為有效性和安全性的評估提供有用的補(bǔ)充信息。隨著類器官研究的不斷深入和政策的不斷完善，類器官將在轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)和臨床個體化治療上扮演越來越重要的角色。
參考?xì)W洲的類器官發(fā)展模式，可以預(yù)計中國基礎(chǔ)科研積累的提升將加速類器官產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，在不遠(yuǎn)的將來我們也將看到更多類器官公司的涌現(xiàn)。
表1 部分國內(nèi)外類器官公司
圖11 國內(nèi)賽道融資歷史
圖12 國外賽道融資歷史
從投融資次數(shù)和金額來看，類器官整個行業(yè)都還處于比較早期的階段，類器官行業(yè)尚未在國內(nèi)形成集中化產(chǎn)業(yè)集群。競爭剛剛起步，擁有核心技術(shù)優(yōu)勢和完整生產(chǎn)鏈、盡早布局該行業(yè)的企業(yè)將具有先發(fā)優(yōu)勢。
另一發(fā)展契機(jī)在于，目前國內(nèi)外行業(yè)都還沒有建立完善標(biāo)準(zhǔn)，因此中國類器官公司以及研究機(jī)構(gòu)在類器官技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化以及應(yīng)用指南的建立等方面可以積極參與，未來在行業(yè)中可掌握主導(dǎo)優(yōu)勢和話語權(quán)。
7 最新科研進(jìn)展
7.1 3D打印微流控芯片
2022年4月12日在Lab on a Chip上的一篇文獻(xiàn)，來自魯汶大學(xué)機(jī)械工程系生物力學(xué)科生物工程和形態(tài)發(fā)生實驗室的Idris Salmon等人，開發(fā)了一種基于人類多能干細(xì)胞的方法，來產(chǎn)生以空間決定的方式與血管細(xì)胞相互作用的類器官。這種基于3D打印的平臺旨在與任何類器官系統(tǒng)兼容，為理解和操縱組織特異性類器官與脈管系統(tǒng)的共同發(fā)展開辟新的途徑[Lab Chip. 2022, 22(8):1615-1629]。
圖14 3D打印微流體平臺，用于片上血管化類器官培養(yǎng)物
圖15 3D打印微流控芯片中的血管網(wǎng)絡(luò)表征和類器官侵襲
7.2 體外β細(xì)胞類器官
4月8日發(fā)表在Nature Protocols 的文獻(xiàn)里，Jingqiang Wang等從成年小鼠中分離胰島祖細(xì)胞，使功能性胰島類器官在體外的有效生成和長期擴(kuò)增成為可能。其團(tuán)隊通過延長培養(yǎng)期和循環(huán)葡萄糖刺激來實現(xiàn)胰島類器官功能成熟。所得類器官主要由β細(xì)胞組成，也含有少量α、δ和胰多肽細(xì)胞。該方法為體外生成β細(xì)胞提供了一種策略，為研究胰島再生和相關(guān)疾病提供了一個類器官模型[Nature Protocols. 2022, 17, 1359–1384]。
圖16 體外胰島類器官和體內(nèi)類器官細(xì)胞的表征
7.3 大腦自閉癥模型
2022年4月5日，奧地利科學(xué)技術(shù)研究所發(fā)現(xiàn)自閉癥高?；虻耐蛔円约叭绾纹茐拇竽X重要的發(fā)育過程，利用微型的大腦模型幫助我們理解自閉癥。有別于先前使用小鼠的模式，此次研究使用大腦類器官獲得巨大的進(jìn)展，結(jié)論指出是CHD8突變破壞神經(jīng)元生產(chǎn)平衡，造成患者大腦發(fā)育不全[Cell Rep. 2022, 39(1):110615]。
圖18 對照實驗，突變類器官過度生長
8 類器官技術(shù)挑戰(zhàn)
類器官現(xiàn)在面臨的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸是無法實現(xiàn)體積和功能的同步生長，而解決此問題首先需要解決其中的主要問題，包括培養(yǎng)方式、血管化及定量化研究等。
1. 血管化。目前大多類器官本身并不具備血管化的結(jié)構(gòu)。因此，隨著類器官體積的增長，類器官受限于氧氣的缺失以及代謝廢物的增加，可能導(dǎo)致的組織壞死。已有研究構(gòu)建血管內(nèi)皮細(xì)胞微環(huán)境的腫瘤類器官，將類器官腫瘤細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞在Matrigel上共同培養(yǎng)，生成血管結(jié)構(gòu)以期解決類器官血管化缺失的問題。
2. 免疫化。血管化以外的難點還包括模擬腫瘤和免疫環(huán)境的相互作用關(guān)系。2019年Nature Protocol 發(fā)表了腫瘤類器官和免疫細(xì)胞共同培養(yǎng)的相關(guān)protocol，可以體現(xiàn)和模擬出腫瘤微環(huán)境的部分特征[Nature Protocols. 2020, 15: 15–39]。以上皮類器官和免疫細(xì)胞共培養(yǎng)模型為例，可通過在培養(yǎng)基中添加活化的免疫細(xì)胞、在組織消化成單細(xì)胞后和免疫細(xì)胞共同生長、添加ECM中的重組細(xì)胞因子等方法重塑類器官和免疫細(xì)胞的相互作用。
3. 系統(tǒng)化。相比于單個類器官，類器官系統(tǒng)的構(gòu)建能夠?qū)λ幬锆熜Ш蜐撛诙拘宰龀龈暾娴脑u估。目前類器官僅能檢測出藥物對于腫瘤的抑制效果，對于其他器官組織是否存在其他副作用和安全性風(fēng)險并不能做出預(yù)判。為了解決這一問題，2017年Skardal et al.構(gòu)建了有心臟、肺部、肝臟組成的集成于閉合循環(huán)關(guān)注體中的類器官系統(tǒng)，以達(dá)到全面揭示藥物對不同器官的毒性和藥效的目的[Sci Rep. 2017, 7(1):8837]。
從臨床應(yīng)用的角度分析，類器官很難完美模擬出原腫瘤的全部功能。腫瘤組織在人體中是高度異質(zhì)性的復(fù)雜存在，但是對于預(yù)測藥敏的關(guān)鍵指標(biāo)來說（如細(xì)胞抑制率），類器官只需要達(dá)到一定程度的復(fù)雜性即可給出較好的答案。
以血管化來說，類器官在培養(yǎng)至2個月左右，如果缺乏營養(yǎng)供給，會和體內(nèi)器官形成較大差異，但是對于藥篩來說只要類器官在合適的環(huán)境中生長至細(xì)胞小球即可用于藥篩。
又比如說，如果某個藥物的研究重點是需要跨越血腦屏障，那么腦類器官構(gòu)建重點便是需要有完整的血腦屏障結(jié)構(gòu)，對于其他特征（如細(xì)胞和周圍血管的相互作用）可能并不會優(yōu)先考慮。
血管化、免疫共培養(yǎng)以及系統(tǒng)化的實現(xiàn)可以進(jìn)一步提高類器官臨床預(yù)測的準(zhǔn)確性，但考慮到周期、成本等關(guān)鍵應(yīng)用因素，尚且無法兼顧所有條件。有朝一日，如果這些特征都能在成本周期可控的情況下實現(xiàn)，類器官藥篩將能夠提供更加準(zhǔn)確的答案。