導讀
近年來，隨著免疫治療、細胞治療、基因治療等新型治療手段的快速發展，藥企的研發強度不斷提升。然而，新藥研發面臨周期長、投入大、成功率低的困境。據估計，一種藥物從實驗室到市場的所有過程的成本上億，但目前超過80%的臨床試驗藥物未能通過臨床試驗，其中60%的失敗是由于缺乏療效，另外有30%是由于毒性問題。究其原因，主要是傳統臨床前模型（動物、2D細胞培養）預測性不夠，體現在兩方面：一方面傳統的臨床前模型對于人體的仿生程度差，對于臨床有效性和安全性的預測性低；另一方面，新型成藥范式發展迅速，治療方案復雜化，缺乏相應的臨床前模型。新藥研發亟待新的轉化工具，類器官和器官芯片由此催生，助力臨床前到臨床轉化之間巨大鴻溝的跨越，幫助藥企實現降本增效。本文將圍繞類器官與器官芯片展開介紹。
類器官（organoids）是由干細胞（胚胎干細胞ESC、成體干細胞ASC、誘導多能干細胞iPSC）、器官祖細胞或腫瘤細胞在體外培養時，發生與體內相似的細胞分化和空間限制的定向過程，從而形成的具有人體器官部分空間結構和特定功能的3D結構。
類器官的來源主要包括ASC、iPSC、腫瘤細胞等，不同的器官適用于不同的細胞來源。其中，ASC可以分化大多數的上皮類器官，包括肝、腸、結腸、胃、肺、胰腺，以及前列腺、乳腺、子宮內膜和卵巢等性器官，而心臟、視網膜和大腦、血管、甲狀腺通常需要通過iPSC分化獲得。ASC分化，關鍵在于分化信號通路的激活、細胞因子培養基以及3D基質膠環境，不同器官會有一些細微調整，其中較為通用的有，EGF和Wnt信號通路刺激擴增，BMP信號控制分化，一般在培養過程中需要EGF、R-spondin-1和Noggin培養因子，有的細胞不能分泌Wnt 3a，則還需要添加Wnt 3a，另外，還需要一些小分子抑制劑，比如TGF-β抑制劑等。iPSC分為內胚層（肺、腸、胃、肝、甲狀腺）、中胚層（腎臟，血管）和外胚層（神經），誘導分化的方式較為多樣。腫瘤類器官來自患者腫瘤組織，豐富的樣本資源是類器官公司的核心競爭壁壘。
（1）分離原代組織干細胞或收集誘導多能干細胞；
（2）將細胞或類器官碎片直接懸浮在基質膠中，并以液滴形式分配到組織培養板表面；
（3）基質膠固化后，加入針對特定類器官培養的培養基和細胞因子、小分子等。
圖3 類器官包埋法培養流程
（1）在中間的濾膜皿中加入基質膠固化；
（2）將細胞懸浮在基質膠中加入到中間濾膜皿固化的基質膠上面；
（3）在外皿中加入特定類器官培養的培養基和細胞因子、小分子等。類器官培養基本組成有影響細胞生長、增殖、分化和成熟的細胞因子、支架/細胞外基質（ECM）和培養基條件，其中，基質膠較為通用，常用的有康寧的Matrigel和Bio-techne的Cultrex BME，不同類器官所需的培養基條件和細胞因子不同，是各個類器官公司的核心技術。
2009年，Hans Clevers團隊利用基質膠構成的3D體系，將小腸來源的單個Lgr5（編碼Wnt激動劑 R-spondin受體的基因）陽性成體干細胞在體外培養分化出具有自我更新能力、保持腸道腺窩-絨毛狀結構的類器官，除了外觀結構的仿生外，類器官的基因表達與新鮮分離的小腸隱窩保持高度相似，該模型可以持續擴增達3個月，穩定的基因組保證了純化和生產放大等優勢，此后這種方法被用于從其它主要器官上皮組織培養各種類器官，比如胃、肺類器官等，開啟了類器官培養的時代。
圖5 腸道類器官
此后，多種類器官被成功培育，包括腦、胃、腎、肝、肺、前列腺、乳腺等類器官。
資料來源：Am J Physiol Cell Physiol
腫瘤類器官（Patient-Derived Organoids，PDO）是指將患者穿刺或手術切除的腫瘤組織在基質膠中培養數周得到的類器官。
傳統的2D腫瘤細胞系培養的周期短、成本低，但臨床預測性差。人源性組織異種移植（Patient-derived tumor xenograft，PDX）模型是將人源性腫瘤直接移植到動物體內進行造模，保留了腫瘤的異質性，臨床預測性較高，但具有建模周期較長、成本高、成功率低的缺陷。PDO則兼具兩者的優勢，具有制備周期較短、成本適當、成功率較高的特點。
3D類器官一定程度上重現了人體器官結構和功能，但仍存在不足：
- 難以模擬組織界面：3D類器官難以重現組織間界面（如小腸上皮細胞-血管內皮細胞、肺泡上皮細胞-血管內皮細胞、血腦屏障等），而這種組織界面在物質轉運、藥物吸收、分布等過程起重要作用；
- 難以實現系統化：3D類器官難以實現多器官共培養，而多器官系統對于藥物全面的有效性和安全性等指標的研究至關重要；
- 難以模擬機械力：在生理環境下，細胞常受到不同機械力的作用，例如流體剪切力、拉伸和壓縮等，這些物理作用是促進細胞發育分化、維持正常功能或是導致病變的重要因素之一，然而3D類器官難以模擬這些重要的機械力。
器官芯片可以看做是在體外模擬人類器官單位功能的微型細胞培養裝置，包含細胞、組織界面、生物流體、機械力等器官微環境的關鍵要素。一般來說，器官芯片的硬件設備主要由三部分構成：灌流系統、控制系統和微流控芯片。2010年，哈佛大學Wyss研究所Donald Ingber等構建了首個肺芯片模型：中間通道為具有通透性的多孔膜，用細胞外基質的分子包裹薄膜，上面鋪一層肺細胞（從肺的氣囊、肺泡中提?。?，另一面鋪人肺毛細血管細胞，上層通空氣，下層通培養基，用循環吸力使兩側真空通道收縮，模擬人體肺泡在呼吸過程中收縮的生理過程。在此基礎上，還可以模擬肺部感染的時候白細胞抵御細菌入侵的過程。
資料來源：Science、Mimetas、Emulate等官網，融匯醫藥組整理
自2010年肺芯片開發出來后，肝芯片、腎芯片、腸芯片、心臟芯片、腦芯片、BBB（血腦屏障）等單器官芯片和多器官芯片逐漸被開發出來，器官芯片在屏障類生理模型、多器官體系的開發中更具優勢。值得注意的是，靜態培養下的腎臟類器官基本上是無血管化的，在微流控芯片上培養的腎類器官可產生可灌注的血管網絡。與靜態培養相比，微流控系統培養的腎臟類器官具有更成熟的足細胞和血管結構，且對腎毒性藥物的敏感性更高。
資料來源：Nature Methods、Nature Reviews、Emulate等官網，融匯醫藥組整理
腫瘤類器官芯片：是指通過建立腫瘤類器官與腫瘤相關成纖維細胞（cancer-associated fibroblasts，CAFs）、免疫細胞、血管等共培養體系，以希望在體外較為真實的模擬人體腫瘤微環境。相較于單一腫瘤類器官而言，除提高模型仿生性外，在藥物研發方面可能提供更廣泛的應用，因為不但能夠用來評估靶向腫瘤的藥物，也可以用來評估靶向腫瘤微環境（如CAF、免疫微環境、血管生成）的藥物。
復雜疾病模型構建：如前所述，因器官芯片的研發初衷是為了模擬器官單位功能，自然也被人們想到將之用于模擬病理狀態下的器官，尤其是模擬一些發病過程比較依賴于多種細胞類型相互作用的、復雜的疾病，以期為人體體內病理過程提供一些洞見，例如：用于新冠病毒感染支氣管氣道的模型，NASH（非酒精性脂肪肝炎）模型，神經疾病模型等。
資料來源：Emulate、CN Bio、Mimetas、Nature Biomedical Engineering等官網，融匯醫藥組整理
基于微流控的器官芯片表現出以下特點，具有高技術壁壘：
- 可控性和穩定性好：微加工的通道和培養室均一穩定，利用微流控芯片技術，可以操縱許多在孔板、3D靜態培養和生物反應器等培養體系中難以控制的環境因素；
- 可實現組織界面模擬：中間用具有通透性的多孔膜，上層和下層分別培養特定的細胞類型，實現組織界面的模擬；
- 可實現多器官芯片系統串聯：將多個模擬不同器官的芯片，按照體內的關系，用流體連接起來，在體外模擬體內不同器官之間的生理相互作用和藥物分布等；
- 可提供機械力：利用微流控技術產生精確可控的流體剪切力和溶質濃度梯度變化的灌注液，以更好地模擬體內微環境；
- 可提供更加豐富的監測指標：在設計制作芯片裝置時，通常加入一些微傳感器實時監測芯片中細胞培養微環境的變化，組織屏障的完整性、流體壓力、氧氣含量等指標。
理論上來講，類器官和器官芯片可以嵌入到藥物開發全流程的各個環節，包括藥物發現階段、臨床前階段、臨床階段和批準上市后，但是畢竟類器官和器官芯片的成本高于傳統的2D細胞實驗，因此對于藥物發現階段，目前用的比較少；對于藥物開發中的臨床階段的試驗設計、患者識別招募等環節，類器官和器官芯片的應用尚處在探索階段，目前還沒有完全實現。綜合來看，臨床前階段的藥物評估和藥物上市后的藥敏檢測是目前類器官和器官芯片在實際藥物開發中應用較多的場景。
其中，臨床前的藥物評估方面涉及安全性、藥效和ADME評價：
- 類器官和器官芯片在安全性評估方面初步展現出比傳統的臨床前模型更高的靈敏度，比如在肝毒性方面，Emulate開發的肝臟芯片，通過對27種藥物（已知肝毒性和無毒性）在盲法條件下測試，PPV（Positive Predictive Value，陽性預測值）為100%，SEN（Sensitivity，靈敏度）達到87%，相比傳統的臨床前模型PPV（嚙齒類33%，狗27%，猴子50%）和SEN（嚙齒類65%，狗50%，猴子27%）有明顯提升。
- 由于物種之間免疫反應的根本差異，一些新型藥物模式缺乏有效的安全性評估模型，類器官和器官芯片由于來自人體細胞，解決了物種差異的問題，因此可用于此類藥物的風險評估，比如，羅氏等MNC在腸芯片上評估T細胞engager雙抗藥物的安全性、以及方興未艾的CGT領域也有不少公司在嘗試類器官的評價體系。
2.藥效評價：器官芯片可被用于構建復雜疾病模型，并進行有效性評價，比如CN Bio構建的NASH模型芯片，表現出脂肪堆積、促炎細胞因子產生和纖維化的關鍵疾病特征，顯示比現有動物模型更高的人源樣本轉錄組相關性，在此模型上進行奧貝膽酸和Elafibranor等藥物測試，得到與臨床結果較為一致的有效性數據。3.ADME評價：器官芯片被初步用于藥物的ADME評價，比如通過肝臟-心臟多器官芯片模型來評估經肝臟代謝小分子藥物的PK/PD、及其代謝物的心臟毒性。
除此之外，腫瘤類器官也被嘗試用于藥敏檢測，指導患者精準用藥。2018年初 Science雜志發表的結直腸癌類器官臨床試驗發現，腫瘤類器官組織學和遺傳水平和腫瘤組織高度相似，21例小樣本量臨床數據顯示，腫瘤類器官藥敏檢測PPV為88%，NPV（Negative Predicitve Value，陰性預測值）為100%，更大樣本量的臨床試驗有待進一步開展。
FDA推動了器官芯片和類器官的開發、驗證及其在藥企端的應用。2011年起，NIH、美國國防部和FDA宣布聯合開發器官芯片等。隨后，NIH采用“三步走”策略，依次促進開發人體器官生理模型以預測藥物安全性、開發疾病模型以評估藥物的有效性、為臨床試驗設計提供信息等，類器官和器官芯片技術在藥企中逐漸得到應用，同時此類技術企業得到極大發展。2022年底，《FDA現代化法案2.0》獲批，進一步促進器官芯片等在新藥研發中的應用。CDE鼓勵在基因治療/細胞治療等中應用類器官、器官芯片等開展研究。2021年1月，科技部發布《通知》，將類器官列入“十四五”首批重點專項。2021年11月，CDE發布《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）》，明確提出在缺乏合適的動物模型情況下，可以使用更完善的體外試驗系統、替代性模型，例如類器官、二維/三維組織模型、微流體模型等開展研究。
截至目前，已有多款藥物成功基于類器官/器官芯片有效性實驗數據結合藥物的長期臨床安全性數據獲得FDA批準新適應癥的臨床，同時國內多款藥物的IND申報數據包中納入類器官/器官芯片數據，類器官和器官芯片在新藥研發和申報中的作用逐漸得到監管機構的認可。
資料來源：融匯醫藥組整理
目前國內外的類器官和器官芯片公司根據客戶類型分為to B端和to C端，商業模式包括提供服務和直接銷售產品。To B端面向藥企、CRO企業、高校等，類器官和器官芯片公司提供基于模型的測試服務在國內外均為主流的業務模式，通過銷售芯片、配套設備及試劑等產品的業務模式在國外較為成熟。To C端面向患者以指導精準用藥，是國內一些類器官和器官芯片公司重要的業務方向，短期內以LDT模式為主。
國外類器官和器官芯片的開發及應用早于國內，且在監管機構、MNC等的推動下得以加速。在類器官方面，國外以HUB Organoids為代表，已搭建了相當規模的類器官模型庫，并通過對外技術授權推動了Epistem等類器官公司的發展，國內科途、創芯、丹望等較早入局。在器官芯片方面，國外Emulate、Mimetas、CN Bio、Hesperos等頭部器官芯片公司占主導，多家公司得到NIH贊助，并與MNC達成重磅合作，國內大橡科技、艾瑋得等積極布局。
類器官和器官芯片作為一類新興的轉化工具，有望為新藥研發提供更為真實可靠的體外模型，有助于揭示疾病機制、藥物療效、安全性、PK/PD等方面的信息，幫助藥企實現降本增效。隨著個性化醫療的發展，類器官和器官芯片也將為個體化醫療提供精確的預測模型，從而為患者提供更為個性化的治療方案。雖然類器官和器官芯片的應用前景廣闊，但還有些技術、法規和商業化等方面的問題需要解決，技術上，有待進一步提高類器官和器官芯片模型的生物功能相似性、預測的準確性和穩定性，以及開發出標準化、規?；纳a方法；法規上，類器官和器官芯片模型涉及到人類組織和器官的建模和再生，需要關注人源樣本使用的倫理問題；商業化方面，當前此類技術的價格仍然較高，商業模式也處于初步探索階段，需要降低成本、提高產量以及與藥企等下游客戶合作推進商業化和應用。隨著行業投入、政策鼓勵、資本助力，類器官和器官芯片技術將不斷突圍，在未來應用到更廣泛的領域中。文章來自│陽光融匯資本│
