前沿进展：追踪近几年类器官领域的研究进展

翻译整理：北京佰司特科技有限责任公司

1、什么是类器官？

类器官，具有某一器官多种功能性细胞和组织形态结构的三维（3D）培养物，主要来源于人具有多项分化潜能的多能干细胞（包括人胚胎干细胞和人诱导多能干细胞iPSCs）或成体干细胞。人多能干细胞能分化为个体所有类型的细胞，在体外，经过诱导分化，模拟人体器官发育过程，能使人多能干细胞直接分化形成各种类器官；不同组织器官都存在内源组织干细胞，在维持各器官的功能形态发挥着重要作用。这些干细胞在体外一定的诱导条件下，可以自组织形成一个直径仅为几毫米的具有组织结构和多种功能细胞的三维培养物。器官芯片是获取两个或两个以上不同的类器官，并且放置在特定的培养芯片上进行共培养，能模拟人体的多个器官参与的生理学过程。

与传统2D细胞培养模式相比，3D培养的类器官包含多种细胞类型，能够形成具有功能的“微器官”，能更好地用于模拟器官组织的发生过程及生理病理状态，因而在基础研究以及临床诊疗方面具有广阔的应用前景。

科学家Lancaster 和 Knoblich，这样定义类器官：

“器官特异性细胞的集合。这些细胞从干细胞或器官祖细胞发育而来，并能以与体内相似的方式经细胞分序（cell sorting out）和空间限制性的系别分化而实现自我组建”。

图2：类器官定义及主要特征

基于这一定义，可以发现类器官具备这样几个特征：

• 必须包含一种以上与来源器官相同的细胞类型；
• 应该表现出来源器官所特有的一些功能；
• 细胞的组织方式应当与来源器官相似。

类器官作为一个新兴的技术，在科学研究领域潜力巨大，包括发育生物学、疾病病理学、细胞生物学、再生机制、精准医疗以及药物毒性和药效试验。类器官培养使研究人体发育提供了不受伦理限制的平台，为药物筛选提供了新的平台，也是对现有2D培养方法和动物模型系统的高信息量的互补 。此外，类器官为获取更接近自然人体发育细胞用于细胞治疗成为可能。通过类器官繁殖的干细胞群取代受损或者患病的组织，类器官提供自体和同种异体细胞疗法的可行性，未来这一技术在再生医学领域也拥有巨大的潜力 。使用这项技术，采用CRISPR/Cas9能够纠正体外遗传异常并能够将健康的转基因细胞再次回输入患者体内，并在后期整合入组织内。在精准医学应用中，患者衍生的类器官也被证明为有价值的诊断工具。在进行治疗之前，采用从患者样本来源的类器官筛查患者体外药物反应，旨在为癌症和囊胞性纤维症患者的护理提供指导并预测治疗结果。随着类器官培养系统以及其实验开发技术的不断发展，类器官应用到了各大研究领域。

类器官可以模拟人体的内外环境和人体器官，帮助研究人员观测用药会对人体器官功能产生什么样的影响。在提倡精准医学和个体化治疗的时代，类器官研究比传统的二维细胞培养更具有针对性，并且可以区别不同癌症对于相同药物的反应。不仅如此，研究者还希望通过诱导多功能干细胞强大的再生潜能，体外生成新的器官或组织，然后移植入体内以替代损坏的组织器官。

2、类器官的应用案例

肠类器官：HansClever 课题组证实单一的Lgr5 +干细胞能够在体外持续增殖并自组装形成隐窝－绒毛样的小肠上皮结构。进一步的研究结果显示，单个成人Lgr5 + 干细胞也能在体外成功扩增成结肠类器官，将这种功能性的结肠上皮移植到硫酸葡聚糖诱导的急性结肠炎小鼠模型中可以修复其受损的结肠上皮。这提示利用单一成人结肠干细胞体外扩增进行结肠干细胞治疗是可行的。有学者还应用人诱导型多能干细胞( induced pluripotent stem cells，iPSCs) 直接定向分化为小肠组织的方法明确了Wnt3a 蛋白和成纤维细胞生长因子4 是后肠特定分化所必需的物质，而且，这种iPSCs体外构建的人体肠道组织中存在的小肠干细胞，也具有小肠特有的吸收和分泌功能。这有助于未来人肠道疾病药物的设计研究，可大大提高了药物利用率。目前，已有学者构建了小鼠小肠3D 类器官来进行P-糖蛋白抑制剂的筛选，为P-糖蛋白介导的药物转运研究提供了强有力的工具。

肝类器官：2013 年，Takebe 等将人多能干细胞来源的肝细胞、人间充质干细胞和人内皮细胞混合后在基质胶中培养，发现3 种细胞自组装成3D 化肝芽，将该肝芽移植到丙氧鸟苷诱导肝脏衰亡的TKNOG 小鼠体内后发现这种肝芽可以连接小鼠肠系膜血管，小鼠也出现了人类特有的药物代谢过程。这为肝脏器官发生的研究提供了有益尝试。大型哺乳动物的类器官再造工程也许能加速人类器官移植治疗和疾病致病机制研究的进展。2015 年，Nantasanti 等利用狗的肝脏干细胞构建了可分化为功能性肝细胞的肝类器官模型，能用于铜潴留症的治疗。猫被认为是非常适用于研究人类代谢性疾病的模型，所以利用猫的胆道组织构建肝类器官，可能是原发性肝胆疾病研究及药物筛选的有益工具，但至今也未见利用猫建立长期保持基因稳定的肝脏干/祖细胞培养体系的报道。

胰腺类器官：有学者发现，当控制骨形态发生蛋白碱性成纤维细胞生长因子、激活素A 和Wnt3a 的表达水平或使用一些小分子化合物进行干预时，可以控制内胚层细胞向特定的方向分化，最终形成胰腺。目前，构建胰岛类器官的主要方法包括利用各种干祖细胞产生胰岛样细胞群和利用各种来源的胰腺细胞悬液或胰腺组织块自组装成拟胰岛体。2011 年，Saito 等将人iPSCs 和胚胎小鼠胰岛细胞体外共培养，最后形成能够产生胰岛素的不成熟细胞群，该细胞群由胰岛α 细胞包绕中央的β 细胞构成，这种结构和成年鼠胰岛相似，将其移植到链脲菌素诱导的高血糖小鼠模型中后发现小鼠血糖水平得到极大改善。而进一步的体内实验研究还需要关注如何规避免疫反应、促进再血管化、促进类器官分化发育等问题，在这方面，Sabek 等提出制备纳米腺体来促进胰岛发挥作用，这种纳米腺体是运用3D 打印技术制作可吸收聚合物胶囊包裹胰岛样细胞团形成的，这可能是未来胰岛类器官应用的一种思路。

脑类器官：近来，谱系重编程技术为获取特异性种子细胞提供了新的途径。Lancaster 等通过加入不同生长因子的方法将人类胚胎干细胞( embryonic stem cell，ESC) 和iPSC 在神经培养基3D 培养出了与9 ～ 10周胚胎大脑类似的“类大脑”，此类迷你大脑具备人类大脑发育初期的一些主要区域，也出现了背侧皮层、腹侧前脑等可辨认的特征，但由于缺乏一些特定的特征，如小脑、海马状突起等，这些区域无法应用于干细胞模型。之后，该研究者利用小颅畸形患者的皮肤成纤维细胞诱导形成了患者特异性iPSC 细胞系，并应用后者构建了小颅畸形脑类器官模型，通过对照实验发现，正常ESC和该iPSCs 在类器官形成上并没有明显差异，但是后者形成的类器官中有大量未成熟的神经元分化，这为大脑发育紊乱类疾病的研究提供了一定的思路。2015年Kirwan 等应用人iPSC 体外构建了人大脑皮层神经网络，能够模拟人体内皮层网络的发育和功能，这表明可以在体外通过构建大脑类器官来进行人类前脑神经网络生理学机制的研究。

前列腺类器官：2014 年，研究人员首次在实验室利用来自转移性前列腺癌患者的活检标本和去势抵抗性前列腺癌( castration-resistant prostate cancer，CＲPC) 患者的循环肿瘤细胞成功培育出7 个前列腺癌类器官，这些前列腺癌类器官以及从中获得的肿瘤移植物的组织结构及基因突变谱与患者转移灶样本高度相似。Nicholson 等［21］也应用类器官培养技术成功在体外构建患者来源的异种移植物模型，相比于人源性肿瘤组织异种移植及基因工程鼠模型，这种新型的患者来源的类器官能更好地代表CＲPC 等高级别前列腺癌，还能代表前列腺癌的庞大临床疾病谱，而这种疾病谱是目前仅有的前列腺癌细胞系无法代表的，因而在前列腺癌药物筛选和个体化治疗中展现出巨大的应用前景。

3、类器官领域的供应商

类器官培养仪器：

德国TissUse公司的类器官培养系统，2010年成立，起源于柏林工业大学，稳定的第三方融资（非风险投资），基于收入的财务独立性，30 名研究员 + 22 名其他员工，9 项专利族 + 117 项专利

类器官培养相关试剂：

试剂厂商Sigma-Aldrich(现被Merck收购)，ThermoFisher，也有一批取得较大成就的创业型公司。包括瑞士的提供无支架三维细胞培养产品的InSphero公司，加拿大最大的生物科技公司STEMCELL Technologies提供专业的细胞培养基和细胞分选产品，和提供体内微环境模拟系统的美国公司Xcell Biosciences等。

类器官培养相关耗材：

3D细胞培养提供试剂和材料原料，包括提供细胞支架材料、胞外基质、细胞生长因子、培养基和生物反应器等的一些公司。包括老牌的试剂厂商：Sigma-Aldrich(现被Merck收购)，ThermoFisher，创业型公司，包括提供无支架三维细胞培养产品的瑞士的InSphero公司，提供专业的细胞培养基和细胞分选产品的加拿大最大的生物科技公司STEMCELL Technologies，和提供体内微环境模拟系统的美国公司Xcell Biosciences等。

类器官培养相关服务：

目前能提供类器官相关平台药物筛选及安评的公司的营收点主要在于给各大新药测试公司提供药物体外试验方案和疾病模型，即临床试验外包服务。例如哈佛大学Wyss生物工程学院2013年成立的生物技术公司Emulate，Emulate和FDA将合作，评估和鉴定使用Emulate的“器官芯片（Organs-on-Chips）”技术作为毒理学测试的平台的可能性，并先后宣称与阿斯利康和罗氏形成战略合作；荷兰生物技术公司 Mimetas研发了一种芯片肾，并与几家制药公司达成了应用合作协议将其用于药物筛选；上市公司Organovo宣称研发出第一台生物器官的3D打印机，开发出人造肝﹑人造肾。并于2017年10月宣布与Viscient Biosciences达成合作，以进一步研究肝病。

4、国际类器官行业现状

类器官培养技术目前正处于技术爆发和科研成果井喷的阶段，行业发展具有很大的前景，但也面临较大的挑战。比如如何利用好人体胚胎的干细胞建立持久稳定的体外模型；培养条件和环境刺激如何更真实的模拟还原人体微环境；科研属性的产品如何实现量产，如何转化为临床产品等。

根据Meticulous Research Analysis的资料显示：2016年，3D组织培养在全球细胞分析检测市场占据了约9.3%的份额。2017年市场价值8.181亿美元，在预计期内将以8.7%的年复合增长率增长，2022年达到12.426亿美元。其中，美国在全球3D细胞市场贡献了约34.8%的主要份额，位居全球首位。2016年，中国在全球3D细胞市场占5%的份额，远不及美国，但预计未来五年中国将以11.8%的年复合增长率增长，成为年复合增长率最高的国家，具备市场发展潜力。

5、国内行业发展现状

类器官行业尚未在国内形成集中化产业集群。除了传统的国外细胞培养试剂和原料代理商外，中下游的公司较为稀疏。在北京、上海和广州区域先后涌出了几家创业型公司。

2016年成立的北京科途医学，是一家专注于人源肿瘤类器官（Patient-derived organoids, PDO）等功能性检测技术研发和转化的生物科技公司。2018年7月获得由德同资本领投的数千万天使轮投资，科途医学计划使用这笔融资继续拓展其肿瘤类器官药敏筛查业务。其科研核心团队人员孙博士先后在诺华、百济神州有十几年的肿瘤药物模型研发经验。2018年9月15日，由河北省人民医院主办，科途医学协办的肺癌肿瘤类器官临床相关性研究多中心启动会在石家庄成功召开。科途医学目前的业务模式主要是提供人源肿瘤类器官模型（PDTO）用于肺癌、乳腺癌和胃癌的研究。

另一家位于上海的创业公司上海易对医科技公司于第二届上海消化肿瘤国际论坛宣称，已成功培养出近100例类器官（包括胃、肠、胰腺、胆管癌、肺等），并与上海多家三甲医院（复旦附属肿瘤医院、长海医院、长征医院等）的肿瘤类器官培养及药敏检测战略合作协议。

2011年于台湾，专注于生殖医学仪器领域的明美科技创办人谢志强，与新加坡国立大学教授余严军教授合作并成立加乐生医公司，将余教授独家的3D细胞支架技术技术专利转化为3D细胞培养系统。研发部经理端木和颐表示，加乐生医和上海仁济医院合作进行临床实证研究，药物检测结果与病人术后发展呈现正相关，论文已于国际期刊发表。

国内公司尚无公开营收数据。预计国内细胞培养原材料和下游科研合作公司的总规模在2023年可达到10-15亿左右。类器官行业在国内整体还处于小荷才露尖尖角的阶段，对于这些企业未来的发展走势，我们乐观期待。

 

北京佰司特科技有限责任公司 (https://www.best-sciences.com):

类器官串联芯片培养仪-HUMIMIC；灌流式细胞组织类器官代谢分析仪-IMOLA；光片显微镜-LSM-200；

蛋白稳定性分析仪-PSA-16；单分子质量光度计-TwoMP；超高速视频级原子力显微镜-HS-AFM；

全自动半导体式细胞计数仪-SOL COUNT；农药残留定量检测仪—BST-100；台式原子力显微镜-ACST-AFM；微纳加工点印仪-NLP2000/DPN5000；