作者 | 李樂寧 樊家倩 薛臻昊 薛鵬程

制圖 | 李樂寧

編輯 | 黃子恩

類器官

CNS期刊的座上賓，一時(shí)聲名鵲起被各大媒體爭相報(bào)道：

2013年，被Science雜志評為年度十大技術(shù)；

2015年，被MIT科技評論十大科技突破之一；

2018年，被Nature Methods評為2017年度方法；

2019年，被The New England Journal of Medicine雜志成為優(yōu)良的臨床前疾病模型。

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

5a. 微流控技術(shù)作為生物工程核心技術(shù)之一已實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化

5b. AI結(jié)合高通量自動化賦能類器官的各個(gè)環(huán)節(jié)

5c. Biobank目前醫(yī)院仍是樣本唯一合法來源

6、行業(yè)競爭格局

7、最新科研進(jìn)展

7a.  基于3D打印微流控芯片產(chǎn)生的血管類器官

7b.  體外β細(xì)胞類器官有望為胰島再生提供新方案

7c.  大腦類器官揭示自閉癥高危基因突變及后果

8、現(xiàn)有的技術(shù)瓶頸

01 科普及市場規(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(shí)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(duì)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^[1]。

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。

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。

類器官文獻(xiàn)年度發(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，或ESCs），或誘導(dǎo)的PSCs（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(gè)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(jià)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。

獲得類器官的兩種方法^[2]

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(xiàng)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(shí)上，自2016年起，類器官技術(shù)已被納入臨床試驗(yàn)中，截止到2020年9月，已有63起臨床試驗(yàn)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(yàn)研究有20項(xiàng)，涵蓋8個(gè)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。

2017以來開展了≥3個(gè)類器官臨床試驗(yàn)項(xiàng)目的癌種

相關(guān)報(bào)道稱，2019年北美類器官市場達(dá)到2.9139億美元，預(yù)計(jì)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。根據(jù)世界衛(wèi)生組織發(fā)布的最新數(shù)據(jù)，2018年，全球新發(fā)癌癥1810萬例，而中國新發(fā)癌癥429萬，占比全球23.7%。預(yù)計(jì)2040年，全球新發(fā)癌癥病例高達(dá)2950萬例^[3] 。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(gè)體化治療的需求日益增進(jìn)，市場空間將持續(xù)增長。

02 類器官與其他模型的比較

永生化細(xì)胞系，可以檢測靶點(diǎn)的結(jié)合情況以及細(xì)胞的活性，但是2D細(xì)胞模型體外擴(kuò)增有一定局限性，在傳代后容易喪失原腫瘤的遺傳異質(zhì)性，容易發(fā)生優(yōu)勢克隆選擇，且臨床相關(guān)性較低。

人源性動物移植模型（PDX），是將腫瘤組織移植到免疫缺陷小鼠體內(nèi)的腫瘤模型。主要問題有移植的成功率較低、構(gòu)建成本高、周期長、對于藥物篩選通量有很大局限性等。另外，免疫缺陷小鼠體內(nèi)腫瘤微環(huán)境和人體有一定差距，移植的腫瘤組織還可能發(fā)生小鼠樣進(jìn)化。

腫瘤臨床上可以推廣的藥篩模型必須能夠滿足三大基本要求包括需要在短時(shí)間內(nèi)出具藥敏檢測結(jié)果、藥物篩查通量高、預(yù)測效果準(zhǔn)確，而類器官在這三方面對比其他藥篩方法都顯現(xiàn)出了強(qiáng)勁優(yōu)勢：

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)^[4]。

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(gè)藥物還可以測試不同的濃度，多個(gè)實(shí)驗(yàn)平行開展。

3.臨床相關(guān)性強(qiáng)

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(shí)。Vlachogiannis G團(tuán)隊(duì)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^[5]。

藥篩模型對比（來源：中國網(wǎng)醫(yī)療頻道）

03 產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)崂?/span>

類器官產(chǎn)業(yè)鏈

類器官的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(shí)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(shí)間和金錢成本較低，并具有較高效率。

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(yàn)研究達(dá)到20項(xiàng)。

但未來類器官科研市場將來相對增長放緩，類器官服務(wù)方將以銷售試劑耗材為主。隨著科研市場進(jìn)一步發(fā)展，科研院校將搭建并優(yōu)化自己的平臺做培養(yǎng)和檢測，但科研市場高度定制化需求難以提供標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)。

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(shí)長、風(fēng)險(xiǎn)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(shí)找到有效解決方案。而類器官可代替病人試藥，實(shí)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(jì)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(jià)值，其可以作為實(shí)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(yàn)后開發(fā)失敗，造成巨大的花費(fèi)和損失。而類器官可在臨床前進(jìn)行更充分的效價(jià)評估，對于后期藥物開發(fā)成本的降低有巨大的價(jià)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(yàn)”，可提高臨床試驗(yàn)成功率。目前國外藥企包括羅氏、利來等，國內(nèi)企業(yè)包括先聲藥業(yè)、恒瑞、齊魯藥業(yè)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(yàn)證服務(wù)。類器官非新藥遞交的必選項(xiàng)，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(xiǎn)管理，并降本增效，藥物研發(fā)市場將具有最大的商業(yè)價(jià)值。在me-too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(jià)值的支付意愿相較于其他市場更強(qiáng)。

04 國家政策助力類器官賽道

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(shí)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃6個(gè)重點(diǎn)專項(xiàng)2021年度項(xiàng)目申報(bào)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中首批啟動重點(diǎn)專項(xiàng)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(jià)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。

節(jié)選自《基因治療產(chǎn)品非臨床研究與評價(jià)技術(shù)指導(dǎo)原則（試行）》

節(jié)選自《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）》

在臨床市場，國家推行鼓勵LDT及ICL的實(shí)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(shí)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)。

05 行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向

目前類器官的技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)主要有三個(gè)，分別是器官芯片、AI高通量自動化和類器官樣本庫（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(shí)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(shí)間，且便于臨床運(yùn)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。

1.微流控技術(shù)作為生物工程核心技術(shù)之一已實(shí)現(xiàn)臨床化

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(shí)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(shí)驗(yàn)，擁有三個(gè)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(yàn)更具成本效益，同時(shí)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(shí)時(shí)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）。

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(gè)方面：

（1）集成技術(shù)難點(diǎn)：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(shí)驗(yàn)都能重復(fù)得很好。性價(jià)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。

2.AI結(jié)合高通量自動化賦能類器官的各個(gè)環(huán)節(jié)

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(diǎn)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。

AI科研熱點(diǎn)

3.Biobank目前醫(yī)院仍是樣本唯一合法來源，而多個(gè)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。

Biobank產(chǎn)業(yè)鏈

當(dāng)前Biobank的難點(diǎn)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 :

    1a.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。

    1b.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。

06 行業(yè)競爭格局

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)了第一批類器官公司的涌現(xiàn)。目前類器官公司多為政府、學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界三方聯(lián)動的助推模式。產(chǎn)品銷售和服務(wù)的混合商業(yè)模式。類器官應(yīng)用于藥篩的頭部公司，需要具備泛癌種培養(yǎng)能力以及達(dá)到商業(yè)轉(zhuǎn)化水平的穩(wěn)定性的水平，有嚴(yán)格的質(zhì)量控制和標(biāo)準(zhǔn)化體系，且在培養(yǎng)涉及的儀器和鑒定篩選平臺方面需要往自動化方向靠攏。

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。

參考表5可以發(fā)現(xiàn)，國外專注類器官的公司數(shù)量較少，不少公司原來的主營方向?yàn)楦杉?xì)胞相關(guān)的業(yè)務(wù)，后續(xù)才拓展出了類器官板塊。由于上述壁壘，國內(nèi)開展腫瘤藥篩的類器官公司數(shù)量也并不多，但是融資成功的公司（如科途、創(chuàng)芯等）都具備自主研發(fā)創(chuàng)新類器官耗材的能力，在類器官培養(yǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中都掌握著自己特有的know-how，在產(chǎn)業(yè)化方面的進(jìn)展對比國外并沒有明顯的落后趨勢。

國內(nèi)外類器官公司（表5）

國內(nèi)賽道融資歷史

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(gè)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)^[11]。

07 最新科研進(jìn)展

1.基于3D打印微流控芯片產(chǎn)生的血管類器官

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(shí)驗(yàn)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^[8] 。

3D打印微流體平臺，用于片上血管化類器官培養(yǎng)物

3D打印微流控芯片中的血管網(wǎng)絡(luò)表征和類器官侵襲

2.體外β細(xì)胞類器官有望為胰島再生提供新方案

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(duì)通過延長培養(yǎng)期和循環(huán)葡萄糖刺激來實(shí)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(gè)類器官模型^[9]。

體外胰島類器官和體內(nèi)類器官細(xì)胞的表征

3.大腦類器官揭示自閉癥高危基因突變及后果

2022年4月5日，奧地利科學(xué)技術(shù)研究所發(fā)現(xiàn)自閉癥高危基因的突變以及如何破壞大腦重要的發(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^[10]。

對照實(shí)驗(yàn)，突變類器官過度生長

08 現(xiàn)有技術(shù)瓶頸

類器官現(xiàn)在面臨的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸是無法實(shí)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(diǎn)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^[6] 。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(gè)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(xiǎn)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^[7]。

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(gè)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(gè)藥物的研究重點(diǎn)是需要跨越血腦屏障，那么腦類器官構(gòu)建重點(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)，類器官藥篩將能夠提供更加準(zhǔn)確的答案。

References：

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2. Regnard, G., & Hamers, S. (2020, May 28). Organoids: Definition, culturing methods, and clinical applications. CytoSMART. Retrieved May 7, 2022, from https://cytosmart.com/resources/organoids

3. World Health Organization. (2020, January 1). Cancer China 2020 country profile. World Health Organization. Retrieved April 18, 2022, from https://www.who.int/publications/m/item/cancer-chn-2020

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5. Vlachogiannis, G., Hedayat, S., Vatsiou, A., Jamin, Y., Fernández-Mateos, J., Khan, K., Lampis, A., Eason, K., Huntingford, I., Burke, R., Rata, M., Koh, D.-M., Tunariu, N., Collins, D., Hulkki-Wilson, S., Ragulan, C., Spiteri, I., Moorcraft, S. Y., Chau, I., … Valeri, N. (2018). Patient-derived organoids model treatment response of metastatic gastrointestinal cancers. Science, 359(6378), 920–926. https://doi.org/10.1126/science.aao2774

6. Cattaneo, C. M., Dijkstra, K. K., Fanchi, L. F., Kelderman, S., Kaing, S., van Rooij, N., van den Brink, S., Schumacher, T. N., & Voest, E. E. (2019, December 18). Tumor organoid–T-cell coculture systems. Nature News. Retrieved April 19, 2022, from https://www.nature.com/articles/s41596-019-0232-9/

7. Skardal, A., Murphy, S. V., Devarasetty, M., Mead, I., Kang, H.-W., Seol, Y.-J., Shrike Zhang, Y., Shin, S.-R., Zhao, L., Aleman, J., Hall, A. R., Shupe, T. D., Kleensang, A., Dokmeci, M. R., Jin Lee, S., Jackson, J. D., Yoo, J. J., Hartung, T., Khademhosseini, A., … Atala, A. (2017). Multi-tissue interactions in an integrated three-tissue organ-on-a-chip platform. Scientific Reports, 7(1). https://doi.org/10.1038/s41598-017-08879-x

8. Salmon, I., Grebenyuk, S., Abdel Fattah, A. R., Rustandi, G., Pilkington, T., Verfaillie, C., & Ranga, A. (2022). Engineering neurovascular organoids with 3D printed microfluidic chips. Lab on a Chip, 22(8), 1615–1629. https://doi.org/10.1039/d1lc00535a

9. Wang, J., Wang, D., Chen, X., Yuan, S., Bai, L., Liu, C., & Zeng, Y. A. (2022). Isolation of mouse pancreatic islet procr+ progenitors and long-term expansion of islet organoids in vitro. Nature Protocols. https://doi.org/10.1038/s41596-022-00683-w

10. Villa, C. E., Cheroni, C., Dotter, C. P., López-Tóbon, A., Oliveira, B., Sacco, R., Yahya, A. ?., Morandell, J., Gabriele, M., Tavakoli, M. R., Lyudchik, J., Sommer, C., Gabitto, M., Danzl, J. G., Testa, G., & Novarino, G. (2022). CHD8 haploinsufficiency links autism to transient alterations in excitatory and inhibitory trajectories. Cell Reports, 39(1), 110615. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.110615

11. 干細(xì)胞者說. (2021, April 14). 腫瘤類器官：替身試藥，未來可期. 中國醫(yī)療. Retrieved April 19, 2022, from http://med.china.com.cn/content/pid/251936/tid/1026