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      科學家正在把你的器官做成芯片
      2022.11.21

      導語

      這是一個毫米級器官如何改變人類醫學的故事。

      文丨林怡齡

      編輯丨劉  

      你能想象,有一天,從自己身體上取出部分組織,就能在體外培養一個直徑可能只有1毫米甚至更小的“迷你器官”,由它來代替你先試驗藥物有無效果嗎?

      雖然這個想法多少有些科幻色彩,但現實并不夸張??茖W家們已經在加速實現。這不,8月份,賽諾菲一款獲批臨床的新藥,就是由“迷你器官”來替代部分動物實驗。

      兩個月后,FDA新法案的出臺,再次把這個打造“迷你器官”的技術推向風口——從討論會、文章到行研報告,類器官技術迎來了一次集中曝光的機會。

      即便在一位不具名的投資人看來,FDA法案出臺就自動扯到類器官技術,多少有些“標題黨”的嫌疑,但毋庸置疑的是,類器官靠著這一波,的確聲量頗大。

      不過,它的確值得這樣的關注熱度。這項起步于上世紀80年代的技術,雖然在過去十年間才迎來快速發展,但它的前景遠比我們想象得要廣闊——從疾病建模、藥物篩選、精準醫學到再生醫學,都是這個“迷你器官”所能發揮作用的領域。

      只是,相比拯救人類的美好愿景,眼下先讓小鼠和猴子逃離動物實驗,或許來得更為容易。

      01 何為類器官?

      “類器官”(organoid)一詞,最早出現于1980年,彼時有關3D細胞培養的論文就出現了這個詞匯的身影。雖然過去十多年里,“類器官”的定義有過演變,但現在,業內都公認類器官是指將干細胞包括多功能干細胞和成體干細胞在體外培養,分裂分化形成類似器官的生物結構。

      如果追根溯源,類器官實質是3D細胞培養中的一種,它的出現,是對早期2D培養細胞的迭代革新。

      20世紀以來,2D細胞培養一直是多數研究者最廣泛使用的方法。這項傳統的培養方式,不僅被用在體外研究不同類型的細胞,也用于進行藥物篩選和測試。通常,研究者都是提供培養基來喂養這些不斷增長的細胞群,使它們在聚酯或玻璃平面上生長。

      這種模型的好處在于廉價且易于維護,但2D培養的局限也在于無法實現真正的細胞環境,以此實現細胞間交流或者細胞和細胞外基質的相互作用。這在癌細胞研究中恰好是短板。

      為克服這一限制,更好地模擬體內條件,研究者致力于將2D平面的細胞變成立體3D。3D細胞是由單一細胞類型或多細胞混合物產生的細胞聚合物組成。而使用不同的細胞來源進行培養,便會產生兩種結果,一是細胞球,另一種則是類器官。

      類器官技術火熱的這兩年,相對魚龍混雜。一位不具名的投資人透露在看類器官公司標的時,曾看到有些企業混淆“類器官”定義,試圖拿著研發3D細胞球的技術“蒙混過關”。

      誠然,相較于細胞球,類器官是一個更進階的技術。二者無論從細胞來源和發育動力等各方面都不盡相同。

      最明顯的是類器官培養采用的細胞來自人體干細胞,隨后分化形成一個3D微型細胞簇。該細胞可以通過內部發育來形成類器官,高度模擬原始器官的結構和功能,如具有相似的空間組織,能夠再現原始器官的過濾,排泄,神經鏈接以及收縮功能等。而細胞球只是通過細胞間粘附來發育,也無法具備模擬原始器官。

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      圖源MBL life science

      與此同時,在多次傳代過程中,類器官的優勢在于具有基因組穩定性,可以體現原組織的基因組組合。細胞球則會在數次傳代后逐漸衰老或漂移。

      這樣的特征,使得類器官和細胞球在應用時也出現了差異——前者可以反復利用,而后者更像是一次性。具體而言,類器官的基因組穩定和自我更新本領,使其可以作為離樣的生物樣本冷凍保存下來,形成樣本庫以供重復研究。而這也是日后各家類器官企業競爭力的關鍵之一。

      相反,細胞球很難在冷凍后再被復蘇以重復研究,科學家們只能重新去原腫瘤組織中獲取細胞。

      由于類器官和3D細胞球這兩個概念在初次接觸時容易混淆,需要企業對類器官底層生物學機制有更深入的了解,因此企業對類器官科學性的了解,便成為投資者關注的重點之一。上述投資人笑談“這是基礎也是門檻,否則一不小心就投錯了?!钡侣撡Y本合伙人姜陽之對此同樣謹慎,“團隊的科學素養和對生命科學的認知,以及know how積累,都是我們比較關注的?!?/p>

      類器官的特質,讓其可以革新的應用領域更為龐大。眼下應用最為廣泛且較為成熟的,便是在動物模型的替代上。 

      常言道,沒有差勁的藥物,只有糟糕的臨床試驗。在藥物開發失敗的原因中,難以控制的毒性和缺乏臨床療效兩個原因,大都與測試模型不足導致的錯誤有關。

      類器官應用之前,研究者試圖通過完善模型來解決這一點。以腫瘤研究模型為例,其經過幾番迭代。從上世紀美國國家癌癥研究所推出的NCI-60——60種癌癥細胞系及基于這些細胞系的CDX模型的,到后來的人源性腫瘤組織異種移植(PDX)模型,人類改善研究模型的終極目標,都是在追求無限接近人體。

      2017年初,美國國家癌癥研究所(NCI)宣布在新藥研發領域用PDX模型取代NCI-60細胞系時,意味著2D技術下體外培養原代腫瘤細胞的時代走向了終結。事實上,由于NCI-60細胞系脫離人體較久,亦無法保持腫瘤異質性,即不同腫瘤細胞的不同形態和表型特征,它的落幕已是必然。

      取代NCI-60細胞系的PDX模型,解決了這一痛點。它也因此在2014年登上了《科學》雜志封面,風光一時。

      從原理來看,PDX模型是將取自患者的小塊腫瘤組織植入實驗小鼠,從而最大程度保留原代腫瘤的特征。然而,PDX模型并非十全十美。

      一是成本較高,PDX模型需要將腫瘤組織移植到免疫缺陷鼠上傳代培養,這種免疫缺陷小鼠成本不低,而且容易傳代失敗,導致總體建模成本非常高?!澳P偷某杀敬蟾旁?0萬元左右?!鄙鲜鐾顿Y人說道。二是耗時較長,一般建模需要3-6個月,不太適用于指導腫瘤患者臨床用藥。

      成本高、建模周期長,導致PDX模型通量很難提高,極大限制了它的應用。上述投資人坦言,中美冠科是PDX模型的全球老大,但市場也相對受限。

      細胞系、PDX模型是目前最常用的臨床前藥物評價模型,常被拿來與類器官進行比較。姜陽之說道,“PDX小鼠模型是個良好的多器官/系統級別的體內模型,但受限于鼠源、非人源,同人體臨床試驗的預測一致率較低?!?/p>

      事實上,由于種屬差異,實驗動物有時候并不能完美復刻人體情況。2014年西非爆發埃博拉感染時,就有人發現一些種類的小鼠對埃博拉病毒有抵抗力,而另一些則沒有。

      此外,實驗動物涉及的倫理和法律問題,在歐美國家反應更甚,以致于其推動類器官技術取代動物實驗之心更為迫切。 

      02 類器官會是“迷你器官”嗎?

      類器官的出現,可以說汲取了前兩者的優勢——依舊是細胞培養,成本相對低,終極狀態下,還將是人類各個器官的“迷你版”。

      它們由不同的干細胞類型分化形成,也由此催生了相對應的研究領域。

      腦和心臟的類器官從人體多能干細胞(hPSC)獲得,可以用來進行代謝分析和藥物篩選,因此研究遺傳精神類疾病和發育問題等都主要采用hPSC。

      成體干細胞(ASC)的再生和修復能力讓它主要應用于組織再生和精準醫療。Hans Clevers的小腸類器官,便是從ASC分化而來。與PSC相比,ASC的培養體系相對簡單,它通常來源于患者的活檢組織,分化能力十分有限,一般僅含有器官的上皮部分,缺乏基質、神經和血管系統。

      誘導性多能干細胞(iPSC)的出現,則打開了人類打造類器官的想象空間。與胚胎干細胞相似,iPSC的再生能力理論上可以分化出成體的所有器官和組織,且運用該技術可以產生基因型與移植受體完全相同的干細胞。此外,它存在的倫理道德爭議也相對較小。

      2013年,就有研究者利用iPSCs分化形成人類大腦類器官。而源自患者iPSCs的類器官,也可以復現疾病特征,從而實現新藥的臨床前篩選,在細胞水平層面就可證實其有效性。

      不過,在這三類干細胞中,目前人類利用成體干細胞(ASC)培養類器官更為熟練。從小腸類器官開始,世面上幾乎所有消化系統的類器官,如胃、胰腺、肝臟、膽囊,以及部分非消化系統的類器官,如前列腺、乳腺、肺等,都來源于ASC。

      更有研究者,已經開始探索類器官能否應用到中樞神經系統(CNS),攻堅大腦和神經類疾病。從專利申請也可見一斑。有相關調查指出,阿爾茨海默氏病、帕金森氏病、腦缺血和嬰兒自閉癥都是腦類器官專利申請的熱點。不過,這個“三磅的宇宙”(人類大腦重約3磅),一點都不比浩瀚的宇宙簡單。毋庸置疑,這將是更難實現的領域。

      同樣遙遠但人類也在努力實現的,還有類器官承載的移植夢。但它已經是“迷你器官”了嗎?或許還不盡然。

      正如上文所述,這些由大量細胞集聚而成的類器官,雖然可以在很多方面模擬真實器官的內部結構,但一些與真實器官功能和發育相關的特性還是無法擁有。就像成體干細胞(ASC)培養出來的類器官,都會缺少神經和血管。而這恰恰是人體器官生長發育獲取能量的重要結構。

      因此,眼前的類器官,暫時還只是真實器官的低配版。

      03 體外再造一個,有多難?

      不過,即便是低配版,也不是想造就能造的,尤其是大規模量產,眼下就很難實現。

      過去兩年,屢獲資本青睞的類器官公司,雖然大都宣稱有在布局自動化,但到目前為止,它們大都還是依靠人力在培養類器官。國內的類器官公司幾乎都還沒有到規模量產的階段。

      一個是因為國內類器官產業剛剛起步,訂單量并不大?!按蠹叶歼€在摸索,一般都是十幾例幾十例,依靠人工尚可以實現?!鄙鲜鐾顿Y人說。但弊端也在于,人工培養往往會有誤差。在實驗室里,每個人培養細胞的狀態通常并不一樣,這也是培養領域的難點?!罢嬲プ龅臅r候就會發現,你的吹打力度各個方面都會影響到細胞狀態?!?/p>

      而一旦起量,再靠人工也不現實。因此,類器官技術要真正實現規?;彤a業化,自動化必不可少。不過,橫亙在自動化之前,類器官培養還要解決標準化和穩定性的問題。畢竟,有了標準和足夠穩定,才好批量復制出符合要求的產品。在投資者看來,這些都將是類器官公司的關鍵競爭力。

      國內另一家類器官公司丹望醫療,其創始人華國強正在參與類器官標準的起草。在一場直播中,他指出評價類器官模型的好壞需要結合應用場景——臨床藥物預測場景下,最重要的評價指標與體內樣本的相似度及臨床療效符合度;而在藥物篩選方面,則考驗模型的有效性和穩定性,這就需要在制備和培養環節制定標準和參數。

      大橡科技創始人周宇在這場直播中同樣指出,器官芯片標準化一個非常重要的關鍵點在于模型功能的標準化,好比肝的類器官需要定義代謝指標等。

      由于行業標準尚未出臺,類器官的下游客戶,以藥企為例,雖然抱著好奇的心態,但生意場上無小事,它們的內心都自有一桿秤。

      “今年全球首個完全基于類器官數據的新藥獲批進入了臨床階段,隨后FDA又修訂了法案,極大促進了類器官技術發展?!苯栔绱苏f道,“尤其是法案出臺后,很多藥企都來了解和咨詢?!钡珶o一例外,藥企最關心的都是類器官的穩定性、一致性、標準化,以及類器官庫的豐富程度。

      “藥企需要的不僅僅是把類器官培養出來,他們更看重類器官樣本中攜帶的臨床信息和各種組學信息,以及類器官傳代培養后的穩定性?!鄙鲜鐾顿Y人說道,“在標準化程度足夠高以及足夠多數據支撐下,藥企還是很愿意跟類器官公司合作和共同摸索?!?/p>

      而原本在上述投資人想來不難實現的自動化,也同樣艱難?!皣鴥葘W⒆詣踊钠髽I非常多,之前想著把細胞培養各個流程通過自動化儀器實現,但門檻還是要比想象中的高很多”上述投資人感慨。

      擺在類器官培養上的難題還有兩個。

      先是原料。要想培養一個類器官,所需要的材料包括基質、維持類器官生態所需因子,還有類器官培養所離不開的誘導細胞分化的細胞因子。而這些細胞外基質組成的不確定性,會嚴重影響類器官的培養。

      其中,讓細胞培養從原來的2D變成3D的關鍵,細胞培養基質(或支架)是關鍵的原料。其主要的類型包括來自天然材料的水凝膠支架,如細胞外基質膠原蛋白等。

      目前,類器官常用的基質為美國BD Bioscience的產品Matrigel?,它是從小鼠腫瘤中提取出的基底膜基質,存在價格較高,行業壟斷等問題。不過姜陽之對此是較為樂觀的。他認為國內類器官產業正在蓬勃發展,上游的國產替代也是勢在必行。

      另一個則是專利。作為類器官領域的鼻祖,Hans Clevers隸屬于研究機構KNAW,這家機構在類器官方面的專利擁有157項擴展家族專利,且都是基本專利之一,受到全球20多個國家的保護。美國兒童醫院醫療中心也在世界上十多個國家和地區實施了全球專利布局。

      在類器官尚處于早期研發階段時,專利并不會構成問題。但隨著類器官產業發展,尤其是產業轉化時,如何合規,就值得業界去關注。

      04 崛起前路依舊有無限挑戰

      如今,類器官產業來到產業爆發階段,前景似乎美好得令人向往。但誠如前文所述,類器官技術要想滿足下游應用的期待,仍有不少研發和產業化的挑戰需要攻堅。

      除去大多數類器官缺少神經和血管,易隨著類器官體積增長出現缺氧和代謝廢物增加,從而導致組織壞死此類問題,如何精確控制微環境條件包括在腫瘤類器官研究中,腫瘤微環境的構建,也是類器官技術還需攻堅的問題。

      “畢竟體內和體外不太一樣,腫瘤微環境的構造也是我們當初重點考量的?!鄙鲜鐾顿Y人坦言。

      正所謂關關難過關關過。

      目前,海內外科學家開始采用一些尖端技術,例如器官芯片、微流控裝置、CRISPR-Cas9、高通量篩選等來分析和改造類器官,使其無限接近人體器官。

      器官芯片和類器官技術結合的類器官芯片,是目前研發的前沿,也是多數企業布局的領域。類器官芯片,即在一種多通道3D微流控芯片上培養分化人體干細胞成類器官,說白了就是在芯片上打造器官。

      之所以將兩者結合,好處在于可以精確控制微環境。原先,因為類器官培養需要在特定時間添加生長因子等培養材料,而加多加少都會影響到微環境,且不易控制,類器官芯片則很好地解決了這個問題。

      而在腫瘤微環境構建中,通過微流控裝置和數學計算模型,研究者可以在芯片上就模擬出腫瘤微環境的空間組織,從而研究腫瘤與間質的相互作用。操作過程中,研究者不僅可以適時調節癌細胞的營養供應,還可在最快3天里就生成可用于藥物篩選的腫瘤類器官模型。

      CRISPR-Cas9技術應用到類器官,則豐富了取樣途徑。研究者可以從正常類器官中取樣隨后通過基因編輯獲得,而不再是只能從不同發育階段的腫瘤組織中獲得。與此同時,通過該技術,還可以順便研究是哪些基因或者哪些基因組合參與了腫瘤形成和發展。

      有科學家就通過CRISPR-Cas9技術,成功將正常腦類器官轉化為腫瘤腦類器官,由此記錄了腦腫瘤的發生。

      雖然短期內,類器官只是動物實驗的補充,但在業界眼中,替代必將是未來的趨勢。而從最初類器官研究的重點是培養健康細胞,長期目標是應用于細胞治療和再生醫學,現在業內的注意力已經轉移到藥物研發和藥物篩選,走向了個性化治療。

      只是,技術要想真正落地,還需跨越到產業化,對于新技術而言,這并非易事。眼下,領頭公司都在自動化方向上探索,包括采用與微流控技術結合等手段。事實上,一家公司如何去實現類器官產業化,是不少投資者考量的因素之一。

      姜陽之表示:“產業發展需要多方配合,隨著大家慢慢摸索出行業標準,加上底層技術平臺、自動化方案等日益成熟,類器官技術將會迎來下一個爆發?!?/p>

      參考資料: 1.《類器官的研究進展及應用》,俞東紅等; 2.《Patent bibliometric analysis for global trend of organoid technologies in the past decade》,Lili Zhu, Yuhang Fan, Xuemei Huang等; 3.《Organoids: A historical perspective of thinking in three dimensions》,Marina Simian and Mina J. Bissell; 4.Crown Bioscience:《類器官與球狀體有何不同?》 


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