类器官领域发展现状及展望.docx

类器官领域发展现状及展望摘要类器官技术的出现与快速发展极大的提升了人造组织器官的制造水平,拓展了其应用范围，同时也为生物医药行业的发展带来全新机遇。对类器官相关技术、应用和产业发展现状进行分析,显示目前类器官技术正处于爆发期,组织器官结构和功能的模拟水平不断提高,在血管化等核心瓶颈问题的攻关方面也不断取得突破,而其与器官芯片融合产生的类器官芯片技术更是极大地提升了该技术的应用能力。目前,类器官作为一种生物模型,在生物医学科研、临床治疗及药物研发中均已展现出可观的应用前景，尤其是在药物研发领域,相关产业体系正在逐渐成型,发展进程快速推进。未来随着相关技术瓶颈的攻克以及商业资本进一步涌入,类器官领域必将孕育更广阔的发展空间,进而助力生物医药行业的创新发展。关键词：类器官;再生医学;生物模型;药物研发类器官技术是在对哺乳动物发育、组织稳态和细胞外基质研究不断深入，以及干细胞培养经验日趋丰富的背景下，将干细胞的自组装特性引入细胞三维培养，进而产生的一种新型组织器官体外培养技术。2009年，荷兰胡布勒支研究所(HUbreChtInstitute)的HansClevers团队首次成功将成体干细胞在体外培养成为小肠的隐窝和绒毛结构，正式开启了这一领域。2013年，日本、美国和奥地利的科研人员分别利用干细胞成功构建出肝脏、肾脏、大脑类器官，再次提升了该领域的关注度，Sc，ECe杂志也将其评选为2013年十大突破，此后，类器官技术获得全球各国的广泛关注和竞相布局，短短几年内便实现了肺、胃、视网膜、输卵管、血管、胰脏、皮肤、心脏等多种类器官的构建，也因此再次入选后Mre的必Hs杂志2017年度技术。在技术快速发展的同时，类器官也逐渐展现出作为一种全新的生物模型，在生物医药行业应用的可观前景，尤其是其变革药物研发模式的潜力,已经吸引了各大跨国药企的目光，一个全新的产业新方向已经开始起步。1、类器官技术研究进展与趋势从发展趋势上看，类器官技术正处于快速上升期，近年来研究成果也呈现快速增长趋势（图1）。而从发展阶段来看，类器官技术实际上还处于发展的初期阶段，因此发展重心仍然在提升仿生水平，即实现更好地模拟天然及疾病状态下组织器官的形态、结构和生理功能，缩小与真实组织器官之间的差距，并在此基础上，探索实现类器官之间的关联，建立多类器官联合体系。t400c,5护铲种耕耕式於0论文发表年图1全球类器官领域论文数量年度分布1.1模拟天然组织器官的结构和功能经过十余年的发展，类器官的组成已经逐步实现了由单一细胞类型向多细胞类型的升级，其结构也逐渐向精细化方向不断跨越，推动所构建类器官的功能性不断提升。肠道是该技术首个模拟的器官类型,自2009年构建出首个小肠类器官以来，科研人员相继明确了肠上皮细胞、杯状细胞、帕内特细胞、M细胞和肠内分泌细胞等小肠内多种细胞的培养条件，2023年还构建出首个具有功能性免疫系统的肠道类器官，其结构和功能愈发完整。大脑类器官是当前的研究热点，2013年奥地利科学家首次实现脑类器官构建技术的突破，此后，又陆续实现了从非定向分化的全脑类器官系统向具有区域特征的脑类器官构建的发展，随着大脑皮层、中脑、腹侧端脑、丘脑、下丘脑、脉络膜丛、纹状体等具有区域特征的脑类器官相继构建出来，对脑结构模拟的精细程度大幅提升。2022年，美国科学家进一步实现了人类大脑类器官在大鼠大脑中的发育成熟，并与大鼠神经元的突触建立连接，实现了对大鼠行为的控制。心脏是除大脑外另一个具有异常复杂结构的器官，也是类器官领域的难点，科研人员目前也已经攻克了心肌细胞、非心肌细胞和神经元的分化，心管的形成和环化，心室腔的形成等心脏类器官构建中的关键问题。基于此，2021年，奥地利科学家利用人类多能干细胞成功培养出首个体外自组织的心脏类器官，能够自发形成空腔和自主跳动，还能够自主动员心脏成纤维细胞修复损伤,实现了心脏类器官的突破。除了精细模拟类器官的细胞组成和结构，想要实现类器官在体外长期存活和功能稳定发挥还需要解决类器官内部氧气、营养和代谢物的运输问题，而其核心即在于实现类器官内部血管结构的建立，这也是现阶段类器官构建中的关键瓶颈和重点攻关方向。目前，科研人员已经取得了一系列突破，开发出多种类器官血管结构的生成方法，如在大脑类器官中，研究人员建立了将血管内皮细胞与脑类器官共培养、在人类胚胎干细胞(ESCS)中表达人类ETV2转录因子、将人脐静脉内皮细胞与人类ESCS或诱导多能干细胞(iPSCs)共培养等多种方法，陆续实现了在小鼠体内发育出血管、在体外生成复杂的功能性血管网络和类似血脑屏障的结构，以及能够与宿主血管系统连接的血管网络等。此外，研究人员也已经实现了在肠道、心脏、肾脏等多种类器官中构建出血管网络。1.2模拟组织器官的疾病特征通过对类器官中的细胞进行基因操控，使其能够表达疾病特异性的特征，或直接使用患者体内的疾病特异性干细胞，构建疾病类器官也是该领域的一个核心方向。目前科研人员已经建立了阿尔茨海默病、帕金森病、克罗恩病、炎症性肠病等多种疾病的类器官培养体系。肿瘤类器官以其在肿瘤个性化治疗中的巨大应用前景，成为疾病类器官领域关注的焦点。2014年，美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心的研究人员首次培育出源自人类前列腺肿瘤的类器官，引领了肿瘤类器官领域的发展。至今，科研人员已经成功构建出肠道、胃、肝脏、胰腺、乳腺、前列腺、膀胱和大脑等多种组织的肿瘤类器官。随着技术进步，肿瘤类器官对肿瘤特性的模拟逐渐丰富，同时也实现了对肿瘤微环境的模拟，而后者正是肿瘤发生、发展和转移中的关键因素，也是至今肿瘤研究中的难点。美国科学家曾利用气液交互类器官培养技术重现了患者体内的免疫微环境，构建的肿瘤类器官中完整保留了原位的肿瘤实质、基质，以及功能化的肿瘤特异性的肿瘤浸润淋巴细胞群。1.3多类器官联合体系的构建天然的组织器官之间存在相互关联，而大部分的生理功能或疾病都是在多器官的共同作用下发生的。单个独立的类器官无法反映这种协同作用，因此，随着类器官技术水平的不断提升，重现多器官之间的关联也逐渐成为该领域新的攻关方向。目前，科研人员已经在这一方向开展了初步探索，建立了一系列类器官联合培养体系。例如，利用iPSCs实现了同时培养出肝脏、胆管和胰脏3种相连通的类器官；在大脑类器官培育过程中模拟眼睛发育，建立了大脑和视杯结构的关联；利用小鼠ESCs在体外构建出具有大脑和心脏的胚胎(SEnIblyo)模型等。除了联合培养的方式，科学家也在积极探索通过其他技术路线，实现类器官之间联通的目标，2020年由美国和韩国科学家开发的“类组装体”新技术就是这条道路上的一个突破，该技术通过“装配”方法，实现了空间结构更加复杂的器官体系构建，进而能够模拟机体内不同系统之间复杂的调节通路。例如，美国斯坦福大学将干细胞衍生的大脑皮层、脊髓和骨骼肌的类器官进行了组装，模拟了“皮质-运动通路”。2、类器官技术应用现状类器官技术的应用主要可以归纳为两方面，即作为替代的移植器官和作为生物模型。对于前者,尽管科研人员陆续实现了大脑、肝脏、胆管、皮肤等多种类器官在动物体内存活和功能发挥，但目前能够建立的类器官仍然存在结构不完整、体积较小、功能无法长期维持等关键问题，因此类器官在该方向的应用研究仍然有很长的路要走。相比之下，类器官作为生物模型则是当前最主要的应用方向，在生物医学科研、临床医疗和药物研发等领域都已经展现出巨大的应用价值(图2)O图2类器官的主要应用场景2.1生物医学研究中的应用类器官的细胞来源于人体，能够更加真实地模拟人体组织器官的组成、结构和功能，更加准确地反映人体内各类生理、病理调控机制；同时，由于其是体外模型，在各类病理、毒理研究中，能够使研究人员更直观的观测到细胞变化，从而提高研究的准确性。因此，类器官已经广泛应用于生物医学研究，为人体内发育、稳态和疾病机制研究提供了全新的研究思路。2019年，TheNewEnglandJournalofMedicine杂志将类器官评价为成为优良的人类临床前疾病模型。在发育机制研究方面，类器官的形成过程就是对组织器官真实发育过程的模拟，因此为理解组织器官发生、人类早期发育等生物医学研究中的关键基础问题带来了全新机遇。例如，瑞士科学家便利用大脑类器官构建了人类大脑发育的多组学图谱，揭示了人脑早期发育过程中的基因调控网络；多项研究还利用人类干细胞构建的囊胚、原肠胚等早期胚胎样结构，更直观地观察到了胚胎的整体构造和早期发育过程，揭开了人类这一关键发育阶段的众多“黑匣子”。在疾病研究方面，类器官技术极大扩充了疾病模型的种类，为此前没有人类模型、无法深入研究的疾病提供了新机遇，如利用肝脏类器官模拟非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)识别出潜在药物靶点、利用肝癌类器官揭示肝癌耐药机制、利用肠道类器官解析Apc突变基因对肠道干细胞的调控机制等，这些研究助力揭示了一系列疾病的新机制，识别出一系列治疗新靶点，为疾病新疗法的开发奠定了基础。2.2临床医疗中的应用疾病特异性类器官保留了疾病的特征，具有药物敏感性；同时类器官的构建周期短，仅需数天至数周。这些特性使得能够在临床医疗过程中，利用患者细胞来源的个性化类器官模型，帮助预测相关疾病患者对不同治疗方案的应答，助力降低临床用药的毒副作用和耐药风险，辅助医生的临床治疗决策，指导患者个性化药物选择，对精准医疗及个性化医疗落地发挥巨大推动作用。尽管类器官在该领域的应用仍处于早期阶段，但已展现出强劲的发展势头，已有一系列类器官模型投入到这一方向的应用中，尤其是肿瘤类器官的应用最为广泛，从2018年英国癌症研究所首次证明结直肠癌和胃食管癌患者来源的类器官可以准确预测抗癌药物对患者的疗效以来，肿瘤类器官已被证实可有效应用于化疗药物和大部分靶向药物的敏感性检测，同时也适用于单一药物和药物组合。例如，2023年，我国开展了肺癌类器官临床疗效预测的最大样本量真实世界研究,证实了肺癌类器官可准确预测肺癌靶向或化疗的治疗敏感性。对于类器官在临床药物敏感性筛查中的巨大应用前景，多个国家也已经着手在该领域进行布局，2017年美国国防部在全国开展了25万例基于类器官的乳腺癌药物敏感性筛查；2018年新加坡政府也投入了2.5亿美金支持在全国开展基于类器官的药物敏感性筛查项目。2022年我国发布了类器官药物敏感性检测指导肿瘤精准治疗临床应用专家共识，为类器官技术的临床研究和临床实践提供了规范和指导。2.3药物研发中的应用在类器官技术的各类应用方向中，药物研发是目前投入应用最多,也是发展最快的方向。类器官既避免了动物实验与人体的差异性，在药物筛选中能够更加准确的预测药物在人体内的有效性和毒性，又缓解了临床试验的伦理问题，同时也能显著缩短临床前试验与临床试验的周期，降低开发成本与风险。当前，研究人员已经建立起多种用于药物筛选的类器官体系，如2022年，美国科学家便建立了多囊肾病类器官构建平台，从而实现了囊肿形成抑制化合物的高通量筛选。癌症药物开发是生物医药行业备受关注的焦点，在该领域，研究人员已经构建起大肠癌、卵巢癌、乳腺癌、肝癌、膀胱癌等多种癌症的类器官库，并证实这些类器官能够在体外保持肿瘤的异质性，并反映肿瘤药物对肿瘤的敏感性。目前，类器官在药物研发领域的应用已经进入产业阶段，产业化体系正在逐步形成。3、类器官产业发展现状类器官是一个实验室科研与产业转化衔接非常紧密的领域，尤其是在药物研发方面，目前已经初步形成了产业体系，一方面从早期开展类器官研发的领先机构中，衍生出一批专注于类器官研发的企业,并成为了类器官领域的领军企业，如源自荷兰Hubrecht研究所的HubrechtOrganoidTeChnc)Iogy(HUB)公司、源自美国康奈尔大学的Hesperos源自美国哈佛大学的EnlUIate公司等。另一方面，辉瑞、赛诺菲、阿斯利康、百时美施贵宝等多家全球知名的大型药物企业纷纷开始进军这一领域，通过与类器官研发公司合作，或建立类器官研发部门，在新药研发中引入类器官技术(表1),实现药物研发流程优化。表1药物研发企业与类器官企业合作案例药物企业类器官企业Q作事项时同阿斯利嫌ElnUkc类H官芯片技术倏人到阿斯利康的为打安全实监空中2018年蟀珈llulm(OrgjMnmITLhnOkk合作开发人类畅通关器官平台.用F克罗患病依婚性结胸炎的2018年我的把标识别利药将筛送辉刖>¼MrftlIBi*irfl<r,辉瑞像投开发大IW类器Tf2018年赛诺尊NCiH65M72临米前研丸2021年Bi<MirMr(lrmnHigic*M*r利用吴春丫1平台M细跑描物送行端过的非证2022年仃时美施贯宣I1TrIIift艇十H人体淋巴精美器官开发计时人美蛋门场的岗亲和力人类凯体2022年l¼rlliM利用苴淋巴结类器仃,在体外承址他哝反应.以助力抗体药物的开发2022年2013年，基于HanSClevers团队的技术，类器官技术孵化公司HUB成立，成为全球最早专门从事类器官研发的公司，开启了类器官产业化发展的序幕。目前，该公司已经成为类器官行业的领军企业，正在着力于推动类器官在药物筛选中的应用和产业转化。2018年，HUB与辉瑞公司合作，开展人类肠道类器官技术的开发，助力炎症性肠病疗法的开发；2022年，HUB又与CrownBioscience公司合作，首次基于类器官对细胞药物进行了筛选和表征，完成了临床前研究,助力推动相关药物进入临床阶段，极大地缩短了药物从科学发现到临床研究的时间周期。此外，干细胞研究公司STEMCELLTechnologies还与HUB公司签署了扩大合作协议，共同开展基于类器官的临床前毒理学筛选和非癌症药物开发服务，从而帮助从事药物开发的研究人员和组织将类器官纳入其临床前测试计划，促进将新疗法更快、更具成本效益的推向市场。同样成立于2013年的Emulate公司是器官芯片领域的全球领军企业之一，近年来开始不断着力推进类器官芯片领域的研发，已经建立了结肠和十二指肠的类器官芯片平台。2022年，类器官领域的产业化发展迎来了里程碑，赛诺菲公司利用Hesperos公司开发的体外微生理系统，针对两种罕见的自身免疫性疾病开展了临床前研究，获得的研究数据获得了美国食品药品管理局(FDA)的认可，批准了相关药物进入临床试验(NCTO4658472)。这是全球首个完全基于体外微生理系统研究获得临床前数据的新药获批进入临床试验。在批准了这一临床试验之后，美国FDA在2022年6月即发布了2022年食品和药品修正案，在药物研发相关条款中，不再将“动物实验”作为药物临床前研发的唯一标准，细胞学试验、器官芯片和微生理系统等都被允许在“非临床检测”中应用，且相关结果都可以作为药物进入临床试验的依据。4、我国类器官技术发展现状我国类器官领域的研发起步相比欧美国家晚，早期没有进行全面布局，导致我国该领域研究人员的体量和研究规模均较小，研究基础积累相对薄弱，相比国际领先水平仍具有不小的差距。尤其是发展早期，我国相关技术的研发大多以应用为导向开展，对类器官技术本身的瓶颈问题攻关不足，这也使得我国在类器官原创技术的突破方面处于劣势。“十三五”以来，这一形势开始发生变化，我国开始对类器官领域进行布局，促进了我国类器官领域从技术研发到临床和产业应用的全面发展。“十三五”生物技术创新专项规划中提出探索瓣膜、肝、肾等组织和类器官的人工构建，促进相关产业的跨越式发展。同时，“十三五”和“十四五”国家重点研发计划“干细胞及转化研究”和“干细胞研究与器官修复”重点专项也规划了一系列相关主题方向，包括“基于干细胞的体外类器官建立”“基于干细胞的器官芯片”“疾病的干细胞、类器官与人源化动物模型等”“基于干细胞的类器官高通量制备及应用”“基于干细胞的智能多器官芯片系统”“干细胞来源的体外器官和类器官功能的数字化评估”等。近年来，国家自然科学基金也对类器官领域给予了大力支持，重点项目中设置了“组织工程及类器官仿生构筑”“基于生物活性材料的空间特征化类器官构建及再生修复研究”等资助方向，并在多个重大研究计划项目、重大项目的指南中提出鼓励开发和利用类器官技术，开展各种生物医学领域机制调控研究。在这些政策的推动下，我国类器官领域的科研队伍建设也开始不断壮大，中国科学院、浙江大学、上海交通大学、清华大学、北京大学、东南大学等多个科研机构和高校形成了各具发展特色的研究团队,进而在基础研究、临床医学应用和器官修复方面均产出了一系列突破性成果，领域发展开始走上快车道。例如，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心在胰岛和肝脏类器官方面已经积累了丰富的经验，在国际上率先鉴定出小鼠胰岛中的干细胞类群，构建了小鼠胰岛类器官,并进一步建立了体外长期扩增胰岛类器官的技术；首创了转分化构建肝细胞hiHeps的技术，并利用这种细胞构建了肝脏类器官，模拟了肝癌的发生。中国科学院大连化学物理研究所在器官芯片技术水平位居我国前列，近年国际上也成为类器官芯片领域的领先机构，成功实现了脑、肝和胰岛等多种功能性类器官芯片构建，用于组织器官发育、疾病模拟及生命早期环境暴露等研究，2021年该团队借助微流控技术，还建立了肝脏和胰岛的联合类器官芯片培养体系。浙江大学依托其在骨组织工程领域的优势，开拓骨类器官领域的创新，构建出骨痂类器官，并实现了快速原位骨再生。复旦大学于2020年建立了“类器官中心”，开始在类器官领域全面发力，构建了全球首例人源类器官新冠病毒感染模型。上海交通大学开发的肺类器官模型和结肠类器官，也为筛选新冠病毒感染候选治疗药物提供了有价值的资源。清华大学基于在多种类器官开发中的基础，进一步建立了自动化类器官平台，并利用这个平台成功培养了小鼠肝、肺、肾等正常组织的类器官，癌症患者肺、肾、胃、直肠等多种肿瘤的类器官。北京大学基于在干细胞基础研究领域的深厚基础，也在类器官领域取得了一系列成就,如建立了肠道类器官培养体系，能够模拟损伤后肠上皮细胞再生，为研究肠道上皮细胞再生提供了新工具等。在产业发展方面，我国类器官产业也已经起步。2016年以来，多家从事类器官研发和服务的企业陆续成立，主要分布在北京、长三角、广东等地区。其中大部分企业还处于初期发展和融资阶段，尚未全面开展类器官技术的转化(表2)。2021年，国家药品监督管理局药品审评中心(CDE)首次将类器官列入基因治疗及基因修饰细胞治疗产品的技术指导原则中。在此推动下，我国一些大型药企也开始关注类器官领域，2021年，百济神州与创芯国际建立了合作，共同开发类器官新药研发技术平台，开拓类器官智能化药物评价系统。未来随着类器官技术的进一步成熟，以及我国监管机构对类器官在药物研发中应用监管体系的进一步明确，将进一步推动我国类器官产业发展。表2我国部分类器官研发公司的融资情况公M名称M资情况融能时间研发方向件虫俣疔1.2亿元A轮歌就2021年令注类寄官疾病蟆型的平台型公司创芯国际I亿兀PgB轮触费2022年援供舁5、修床精盘治疗的肿筋类器Tf药物地感性检泅平台.新为研发联芬人橡科技近亿兀gR轮融资2022年类器自芯片在新西片发疾宣世模制个体化精油区疔善像域的广泛应川科途发学故T万A轮瞅资2022年专注T肿他类嚣R功能件检测技术的研发国或果转化二用将生物近亿元mA轮鞋资2022年It点从事人体舞官芯片及配套装番的研发和应用他根生物亿应A轮山贤2023年美母讲自动化世备,多抓织全派畀试剂盒、美寿甘培界和样本作构状技术方案,奥器W的物研发和精准跟疗了系统等5、类器官技术展望从类器官技术的整个发展历程来看，短短十余年已经初步实现了从实验室向产业的转化，展现出广阔的产业发展前景。根据市场研究公司ResearchDive的数据，到2028年，预计全球器官芯片市场规模将从2021年的5464万美元增长至近7亿美元，年复合增长率约为37.6%这一快速增长的市场规模预示着类器官产业巨大的发展空间。而类器官在产业环节获得监管机构的认可，更显示出其应用前景已经不再是“具有潜力”，而是已经转化为切实的“可行性”，这一变化结合国际上对动物实验“3R”原则的呼声高涨背景，势必将激发全球类器官行业的发展进入快车道。然而，在类器官技术蓬勃发展之下，也要看到相关领域仍然远未成熟，还存在一系列亟待解决的问题。例如，在技术环节，现有器官模型对组织器官的模拟水平整体来看仍然比较初步，无论是在细胞组成、结构，还是在功能，都没有实现完整的模拟，尤其是类器官中神经、血管、免疫系统及微环境的建立仍然存在大量瓶颈问题有待攻克;而在多类器官联合体系的建立中，不同类器官之间的关联模式和协同培养方法也有待探索。在应用环节，如何保证现有类器官模型的可重复性和一致性是最关键的瓶颈问题，目前还没有建立起一个标准化类器官构建技术体系，不同实验室构建的类器官模型间都会存在很大差异，这种差异意味着在应用中将带来极大误差和风险。止匕外，当前类器官培养中最常使用的培养基质是MatrigeI基质胶，但这种材料来源于小鼠，经常会引入动物源性成分，无法投入应用环节。在产业环节，类器官的规模化、自动化生产随着应用需求的扩大成为下一步需要解决的重要问题。针对上述问题，科研人员也在不断开拓发展思路，探索优化策略并攻克瓶颈问题。例如，针对类器官血管化和微环境的仿生问题，科研人员近年来将类器官技术与器官芯片技术结合建立起类器官芯片技术，这种新技术既能够通过芯片管道对人体血管和组织器官微环境进行模拟，还能够通过模块化设计实现多种类器官的共培养，更方便地建立了不同类器官之间的功能耦联。目前，科研人员已经陆续建立了肝脏、胰岛等多种天然组织器官和相关疾病的类器官芯片。2022年，美国哥伦比亚大学的科研人员还将具有各自微环境的成熟心脏、骨骼、肝脏和皮肤类器官通过“血管”在“芯片”上实现了相互连通。此外，3D打印技术、基因编辑技术也正在与类器官技术不断深度融合，未来也将推动类器官技术仿生水平的进一步提升。针对应用转化和产业发展中的标准化、规模化等问题，目前在企业、社会团体、协会学会等层面也已经行动起来，开始着手制定一系列技术指南和团体标准，保障类器官技术的进一步应用；与此同时，类器官样本库的建设也开始被提上日程，如2016年，美国国立癌症研究所(NCI)、英国癌症研究中心(CRUK)、英国维康信托基金(WSI)以及Hubrecht类器官技术基金会曾共同启动了国际上首个大规模的类器官库建设项目一一人类癌症模型计划(HCMI),旨在建立1OOo个患者来源的癌症类器官模型，未来类似的项目将进一步提升类器官的标准化水平，同时也为规模化应用奠定基础。未来,在科研人员、企业、政府等各个层面的共同关注和支持下，类器官技术将不断完善，并在精准医学、药物研发等领域扮演更重要的角色，甚至将变革整个生物医药行业的发展模式，成为全球竞争的生物经济新焦点。与此同时，也有望进一步开拓出再生医学、类器官智能等更多的全新应用方向，孕育更大的发展前景。