美國總統(tǒng)喬·拜登簽署立法，新藥無需在動物身上進行測試即可獲得FDA的批準，這取代了1938年羅斯福簽署《聯(lián)邦食品、藥品和化妝品法案》中的規(guī)定，即在動物中測試潛在藥物的安全性和有效性。
著名的“反應停”（沙利度胺）致多達1.2萬名的嬰兒出現(xiàn)短肢畸形事件后，新藥篩選通常需要采用多個物種的動物來進行。此后，正常一款新藥臨床前研究需要用到至少60只實驗猴，新冠后更是出現(xiàn)了天價猴、一猴難求的種種現(xiàn)象。
事實上，公司在新法案簽署前為了使藥物在美國獲得批準（FDA通常要求對一種嚙齒動物（如小鼠或大鼠）和一種非嚙齒動物（如猴子或狗）進行毒性測試），每年使用數(shù)以萬計的動物進行此類測試，但是動物模型并不能完全模擬人類生物系統(tǒng)的復雜性，其中有超過9/10的進入人體臨床試驗的藥物因不安全或無效而失敗，即動物實驗并不完美，動物模型研究到臨床評估的成功轉化能力不足10%！
全球藥物研發(fā)幾十年的“游戲規(guī)則”被新法案改寫，單純的非動物模型可能很難取得FDA的信任（換句話說，F(xiàn)DA可不一定買賬！）。雖然如此，新法案的實施催生了包括類器官在內新替代方式的發(fā)展。
下文我們來了解一下今天的主角---類器官。
二維細胞系和動物模型已經(jīng)在細胞信號轉導、篩選化合物、識別潛在靶點和闡明病理機制等方面得到了成功的應用，盡管如此，優(yōu)化目前系統(tǒng)模型以消除其局限性對現(xiàn)代醫(yī)學發(fā)展具有深遠意義。
目前最常用的模式生物是釀酒酵母、秀麗隱桿線蟲、黑腹果蠅、斑馬魚和普通家鼠。對于癌癥研究，還使用患者來源的異種移植物（patient-derived xenografts, PDX）和癌細胞系。
圖1：類器官與其他模型系統(tǒng)的比較
類器官不同于細胞球體，它是部分或全部的多細胞結構。類器官是體外小型化和簡化的三維結構，具有構成器官的多種器官特異性細胞類型。類器官應該滿足：1）它們由靶器官的細胞組成；2）具有靶器官的特定結構；3）它們可以再現(xiàn)靶器官的特定功能。球體模擬實體瘤用于癌癥治療，類器官則提供了研究器官對象的形態(tài)、功能和疾病相關模型。
圖2：類器官是體外小型化和簡化的三維結構
類器官相關研究早在上個世紀就開始了，而第一個類器官是2009年Hans Clevers小組產(chǎn)生的類似于天然腸道組織上皮的隱窩狀結構，開辟了類器官發(fā)展的一個新紀元。
圖3：類器官培養(yǎng)物開發(fā)的時間軸
在PUBMED上以“類器官（organoids）”為關鍵詞進行所搜發(fā)現(xiàn)類器官的研究在
1966-1988年間首次出現(xiàn)爆發(fā)（研究數(shù)＞50篇），歸因于通過細胞解離和再聚集實驗來描述器官發(fā)生的經(jīng)典發(fā)育生物學實驗的研究。類器官研究的復興在2010年后，但形式有所不同：類器官被定義為干細胞生長的3D結構，由器官特異性細胞類型組成。
圖4：PUBMED上以“類器官（organoids）”為關鍵詞進行所搜得到的研究數(shù)（篇）
類器官來源于多能干細胞（pluripotent stem cells (PSCs)）（胚胎干細胞、誘導多能干細胞（iPSC））和成體干細胞。其中，胚胎干細胞有一定的倫理問題，而腫瘤患者穿刺等活檢也可以是類器官來源之一。多能干細胞在3D培養(yǎng)過程中可聚集形成擬胚體，并誘導分化產(chǎn)生外胚層、中胚層和內胚層后最終形成特定組織的類器官。
圖5：類器官生成的示意圖
目前采用的類器官方法包括浸沒式培養(yǎng)、氣液界面培養(yǎng)和誘導多能干細胞中產(chǎn)生。
圖6：Organoid methodologies
研究者可以通過添加特定的生長因子來促使產(chǎn)生不同類型的類器官，常見的是細胞外基質，但是動物源Matrigel批次差異大，異質性往往會造成結果不穩(wěn)定，尤其是神經(jīng)發(fā)育和腦部疾病研究領域。類器官芯片技術的產(chǎn)生會加速類器官領域的發(fā)展，穩(wěn)定高通量技術會產(chǎn)生更加穩(wěn)定可靠的器官模型。
人類類器官的兩個主要應用是人類遺傳疾病的建模和新治療策略的開發(fā)。
圖7：類器官應用示例
接下來，我們來了解下目前臨床現(xiàn)狀：
以“organoid”為關鍵詞在ClinicalTrials（https://classic.clinicaltrials.gov/）進行搜索，相關臨床試驗多達197項。以“類器官”為關鍵詞在“中國臨床試驗注冊中心”（https://www.chictr.org.cn/index.html）進行搜索，登記的類器官相關臨床試驗僅有 49 項（數(shù)據(jù)均截至2023年12月）。
圖8：以“organoid”為關鍵詞在ClinicalTrials進行搜索的相關臨床試驗分布（197項）（截至2023年12月數(shù)據(jù)）
圖9：以“類器官”為關鍵詞進行搜索得到的相關臨床試驗（2017-2023年）
臨床試驗中相關類器官研究探索和建立人體來源樣本的各種類器官模型，用于藥物篩選（ChiCTR2100051210/NCT05351983）、預后相關的評價和預測（NCT04777604）、檢測藥物敏感性（ChiCTR2200063320 /NCT03453307）等來探索其用于指導治療方案選擇的可行性。絕大部分是腫瘤相關類器官的研究，還有少量腸道類器官以及關于腦/肺/腎/子宮內膜和胚胎等類器官的臨床試驗（NCT03256266 et al）。
2022年FDA批準了沒有動物實驗療效數(shù)據(jù)的而是基于類器官芯片技術的臨床試驗( NCT04658472)，用于新適應證(自身免疫脫髓鞘疾病) 的治療。這是全球首個完全基于體外微生理系統(tǒng)研究獲得臨床前數(shù)據(jù)的新藥獲批進入臨床試驗，表現(xiàn)了FDA對新技術---類器官芯片研究的信任，是器官芯片技術發(fā)展應用的一個重要里程碑，這一重大批準為上千種沒有動物模型的疾病提供了臨床研究的新渠道！
圖10：類器官芯片技術的臨床試驗( NCT04658472)信息
盡管類器官發(fā)展較快，但是也存在一些挑戰(zhàn)。
首先，針對類器官的培養(yǎng)方法沒有統(tǒng)一的標準化方法。類器官培養(yǎng)物中存在混合細胞群，需要不同的營養(yǎng)條件，而實驗室有著自己的培養(yǎng)條件，這使得研究會產(chǎn)生差異化的實驗結果。
其次，類器官的培養(yǎng)過程中需要使用到基質膠或其他基于動物的基質提取物來使其形成3D結構，而這些物質成分往往存在批次差異。
第三，獲得純的腫瘤類器官是研究人員面臨的另一個關鍵問題，腫瘤類器官可能過度生長并被正常類器官污染。而且，腫瘤類器官在傳代過程中可能會失去腫瘤內異質性和長期擴增發(fā)生突變問題。
第四，對于成體干細胞衍生的類器官，僅代表器官的上皮室，而缺乏血管，免疫細胞，基質和神經(jīng)。
最后，基于活體人體組織的模型的開發(fā)中，該模型可以存儲在生物庫中并被擴增利用，會引發(fā)倫理問題。
圖11：類器官培養(yǎng)開發(fā)中局限性（黃色）和解決方法（棕色）
同F(xiàn)DA文件生效，國內政策支持也是近兩年國內類器官賽道火熱的重要原因。
2021年1月科技部下發(fā)文件將“基于類器官的惡性腫瘤疾病模型”列為“十四五”國家重點研發(fā)計劃中首批啟動重點專項任務，而同年11月中國CDE首次將類器官列入基因治療及細胞治療的驗證指南基因治療產(chǎn)品非臨床藥理學研究。次年7月中國首個類器官指導腫瘤精準藥物治療的專家共識面世。
圖12：CDE官網(wǎng)通告（2021年第49號）
類器官整個行業(yè)都還處于比較早期的階段，行業(yè)處于起步階段，國內外也新興一批類器官研究公司。國內起步發(fā)展較晚，國內類器官公司主要分布于廣深、長三角以及北京。
表1：部分類器官相關公司（據(jù)公開資料整理）
|
公司 |
國家 |
成立時間 |
技術 |
|
Epistem |
英國 |
2000 |
提供腸道類器官模型（人以及動物模型） |
|
大橡科技 |
中國 |
2013 |
研發(fā)和生產(chǎn)人替器官芯片和類器官 |
|
Xcell |
美國 |
2014 |
類器官培養(yǎng)基 |
|
科途 |
中國 |
2016 |
培養(yǎng)基優(yōu)化篩選、藥篩等 |
|
System 1 |
美國 |
2017 |
自動化生產(chǎn)類器官 |
|
吳佰生物 |
中國 |
2019 |
NA |
|
丹望醫(yī)療 |
中國 |
2019 |
癌癥類器官構建、腫瘤類器官藥敏檢測 |
|
弘瑞醫(yī)療 |
中國 |
2021 |
藥篩等 |
|
明澳生物 |
中國 |
2021 |
類器官培養(yǎng)基優(yōu)化平臺、高通量藥物測試技術平臺 |
政策的利好為商業(yè)化帶來更多空間，類器官技術距獨當一面尚有一段距離，研究的需求在未來一定會增加，類器官技術要用實際數(shù)據(jù)去說服更多人。愿國內外新興類器官研究公司乘上政策東風，能為行業(yè)帶來真正突破，為患者解決實際問題。
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