過去十年中,類器官的發展被譽為是幹細胞研究中最令人振奮的進展之一。早在 20 世紀 80 年代,“organoid” 一詞就已經提出,但直到 2009 年, 2009 年,荷蘭科學家 Hans Clevers 團隊成功將 Lgr5 + 腸道幹細胞在體外培養成具有隱窩狀和絨毛狀上皮區域的三維結構,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展的新篇章[1]。
2013 年,類器官被 Science 評為年度十大技術。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建,其中包括小腸、胃、結腸、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,還有相應腫瘤組織類器官。
近幾年,從 PubMed 公開發表文獻中搜尋 “Organoids”,涉及類器官技術的文獻數量呈現直線上升,其中不乏多篇 CNS 等各大頂級期刊文獻。中國發表的類器官文獻數量在全球的排名從第六位(2009-2019 年)躍至第二位(2020 年),僅次於美國。中國科研積累的提升將加速類器官產業化的程式。
將類器官技術應用於臨床,指導臨床用藥和精準治療是近期類器官技術的主要發展方向。事實上,自 2016 年起,類器官技術已被納入臨床試驗中,截止到 2020 年 9 月,已有 63 起臨床試驗於 FDA 官方備案。中國國內 2017 年起註冊且獲倫理委員會批准的類器官臨床試驗研究有 20 項,涵蓋 8 個癌種。主要關注化療方法的療效預測,但已有研究開始關注免疫療法在類器官中的應用(長海醫院,pd-1)。從癌種分佈看,目前國內研究癌種多為消化系統腫瘤、胰腺腫瘤、乳腺腫瘤。
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的腫瘤模型。主要問題有移植的成功率較低、構建成本高、週期長,對於藥物篩選的通量有很大侷限性等。另外,免疫缺陷小鼠體內腫瘤微環境和人體有一定差距,移植的腫瘤組織還可能發生小鼠樣進化。
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間內出具藥敏檢測結果、藥物篩查通量高、預測效果準確,而類器官在這三方面對比其他藥篩方法都顯現出了強勁優勢。
1. 速度快
類器官構建成功率高以及培養速度快。常規來說,在類器官培養一週之後就可以進行藥篩。從樣本採集到出具藥敏結果的全流程已經可以很好地控制在 2 周之內[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。
3. 臨床相關性強
類器官用於癌症藥篩的臨床相關性和預測有效性在多篇研究中都已經得到了較為充分的證實。Vlachogiannis G 團隊在 Science 發表了腫瘤類器官體外藥敏測試指導臨床用藥的里程碑式研究,在 71 位轉移性胃腸道癌提取了 110 份組織構建了類器官,共測試了 55 種抗癌藥物。研究結果顯示,類器官藥篩達到了 93% 的特異性,100% 的靈敏度、88% 的陽性預測率和 100% 的陰性預測率,展現了極高的臨床相關性[5]。
類器官的科研應用目前主要集中在疾病模型研究、療效預測等方向。目前多所高校和醫院已經開展了相應的科學研究,如中科院、清華、浙大、北京天壇醫院、浙大附一等。PDO 技術路線比起傳統路線的優勢與潛能已獲得學界認可,PUBMED 釋出的含 Organoid 的學術論文於 2019 年已經超越 PDX 模型論文年發表數量,中國國內 2017 年註冊且或倫理委員會批准的類器官相關臨床試驗研究達到 20 項。
但未來類器官科研市場將來相對增長放緩,類器官服務方將以銷售試劑耗材為主。隨著科研市場進一步發展,科研院校將搭建並優化自己的平臺做培養和檢測,但科研市場高度定製化需求難以提供標準化服務。
臨床研究應用目前主要為癌症中晚期患者提供精準治療。病人直接試藥耗時長、風險大且過程痛苦,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,實現精準治療。目前類器官以化療藥的敏感性檢測為主,而未來用於靶向藥和免疫治療則具有更大的潛力。
目前包括南方醫院、長海醫院、華西醫院、復旦大學附屬腫瘤醫院等醫院已經開展了相應的臨床研究。目前類器官的臨床市場仍在培育階段:由於未寫入指南,患者的認知度以及臨床醫生的送檢意願有限,隨著 PDO 在臨床應用的增加,預計在精準治療趨勢下, PDO 在臨床市場的需求將大幅度增長。類器官對於患者,尤其是對於缺乏有效藥物只能通過化療的腫瘤患者,有極大價值,其可以作為實現精準治療的有效工具。
類器官在商業市場的應用主要在新藥研發以及擴充適應症等方向。目前大約 85% 的臨床前藥物在進入臨床試驗後開發失敗,造成巨大的花費和損失。而類器官可在臨床前進行更充分的效價評估,對於後期藥物開發成本的降低有巨大的價值;在抗腫瘤藥物研發中, PDO 能夠高通量低成本地反應腫瘤異質性,有效彌補 PDX 動物模型的不足;類器官作為 “患者替身” 的 Phase 0“準臨床試驗”,可提高臨床試驗成功率。目前國外藥企包括羅氏、利來等,國內企業包括先聲藥業、恆瑞、齊魯藥業以及藥明康德等藥企與 CRO 也參與進來。
目前類器官藥物研發市場仍在初始階段,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。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。但不可否認的是類器官技術能夠極大程度賦能藥企做風險管理,並降本增效,藥物研發市場將具有最大的商業價值。在 me-too 背景下,藥企對於新藥研發降本增效、提高成功率的需求劇增,未來對於類器官帶來的價值的支付意願相較於其他市場更強。
2021 年 1 月 28 日,科技部下發的《關於對 “十四五” 國家重點研發計劃 6 個重點專項 2021 年度專案申報指南征求意見的通知》中,把 “基於類器官的惡性腫瘤疾病模型” 列為 “十四五” 國家重點研發計劃中首批啟動重點專項任務。
2021 年 11 月 30 日,國家藥監局藥審中心釋出《基因治療產品非臨床研究與評價技術指導原則(試行)》和《基因修飾細胞治療產品非臨床研究技術指導原則(試行)》(1),首次將類器官列入基因治療及針對基因修飾細胞治療產品的指導原則當中。
微流控晶片相較於傳統動物實驗,擁有三個技術優勢:
(2)更好模擬體內環境和反應:能夠控制細胞和特定組織結構,且具備組織血管化及灌注能力;
(3)便於監測健康狀態與動態:納入實時組織功能感測器,如微電極或光學顯微鏡標記物(如熒光生物標記物)。
(1)整合技術難點:科研領域:國內科研領域多用膜,但加工成本很高,很多學校的科研機構在做膜的整合,但做得不好;商業領域:多數在培養皿 / 類培養皿結構上藉助水流和壓力完成,用膜結構的技術難度大於膜的整合和膜的加工技術,培養皿作為成套系統,整合較難。
(2)重複性較低:給藥濃度的調控,最後樣品的收集,不是每次實驗都能重複得很好。價效比不高。
(3)硬體壁壘:與國外差距主要在於光刻機的精度、耐久性。
當前 Biobank 的難點在於:
1. 樣本庫裡組織有限,類器官模型目前的數量以及涵蓋的癌腫遠不及 pdx :
1a. 主要儲存的為主流癌腫:肺癌、腸癌、胃癌、乳腺癌,另外較多的還有胰腺癌和頭頸癌。
1b. 由於類器官公司主要通過提供藥敏檢測獲取樣本,正常組織類器官儲存量很有限
2. 類器官模型培養及維持的成本高,技術也有不足. 類器官的復甦與擴增的失敗率較高,凍存穩定性需要繼續挖掘。
中國在類器官領域中,近年來呈現出科研數量大幅度上升的趨勢,尤其在 2019-2020 年這兩年間顯現出了強勁的發展勢頭,發表的文獻數量在全球的排名從第六位(2009-2019 年)躍至第二位(2020 年),僅次於美國。
參考表 5 可以發現,國外專注類器官的公司數量較少,不少公司原來的主營方向為幹細胞相關的業務,後續才擴充出了類器官板塊。由於上述壁壘,國內開展腫瘤藥篩的類器官公司數量也並不多,但是融資成功的公司(如科途、創芯等)都具備自主研發創新類器官耗材的能力,在類器官培養的各個環節中都掌握著自己特有的 know-how,在產業化方面的進展對比國外並沒有明顯的落後趨勢。
從投融資次數和金額來看,類器官整個行業都還處於比較早期的階段,類器官行業尚未在國內形成集中化產業叢集。競爭剛剛起步,擁有核心技術優勢和完整生產鏈、儘早佈局該行業的企業將具有先發優勢。
另一發展契機在於,目前國內外行業都還沒有建立完善標準,因此中國類器官公司以及研究機構在類器官技術的標準化以及應用指南的建立等方面可以積極參與,未來在行業中可掌握主導優勢和話語權[11]。
2. 體外β細胞類器官有望為胰島再生提供新方案
2. 免疫化。血管化以外的難點還包括模擬腫瘤和免疫環境的相互作用關係。2019 年 Nature Protocol 發表了腫瘤類器官和免疫細胞共同培養的相關 protocol,可以體現和模擬出腫瘤微環境的部分特徵[6]。以上皮類器官和免疫細胞共培養模型為例,可通過在培養基中新增活化的免疫細胞、在組織消化成單細胞後和免疫細胞共同生長、新增 ECM 中的重組細胞因子等方法重塑類器官和免疫細胞的相互作用。
3. 系統化。相比於單個類器官,類器官系統的構建能夠對藥物療效和潛在毒性做出更完整全面的評估。目前類器官僅能檢測出藥物對於腫瘤的抑制效果,對於其他器官組織是否存在其他副作用和安全性風險並不能做出預判。為了解決這一問題,2017 年 Skardal et al. 構建了有心臟、肺部、肝臟組成的整合於閉合迴圈關注體中的類器官系統,以達到全面揭示藥物對不同器官的毒性和藥效的目的[7]。
以血管化來說,類器官在培養至 2 個月左右,如果缺乏營養供給,會和體內器官形成較大差異,但是對於藥篩來說只要類器官在合適的環境中生長至細胞小球即可用於藥篩。
又比如說,如果某個藥物的研究重點是需要跨越血腦屏障,那麼腦類器官構建重點便是需要有完整的血腦屏障結構,對於其他特徵(如細胞和周圍血管的相互作用)可能並不會優先考慮。
血管化、免疫共培養以及系統化的實現可以進一步提高類器官臨床預測的準確性,但考慮到週期、成本等關鍵應用因素,尚且無法兼顧所有條件。有朝一日,如果這些特徵都能在成本週期可控的情況下實現,類器官藥篩將能夠提供更加準確的答案。
製圖 | 李樂寧
編輯 | 黃子恩
References:
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