作者 | 李樂寧 樊家倩 薛臻昊 薛鵬程

制圖 | 李樂寧

編輯 | 黃子恩

類器官

CNS期刊的座上賓，一時聲名鵲起被各大媒體爭相報道：

2013年，被Science雜志評為年度十大技術；

2015年，被MIT科技評論十大科技突破之一；

2018年，被Nature Methods評為2017年度方法；

2019年，被The New England Journal of Medicine雜志成為優良的臨床前疾病模型。

目錄

1、科普及市場規模

2、類器官和其他模型的比較

3、產業鏈梳理

4、國家政策助力類器官培養

5、行業技術發展方向

5a. 微流控技術作為生物工程核心技術之一已實現臨床轉化

5b. AI結合高通量自動化賦能類器官的各個環節

5c. Biobank目前醫院仍是樣本唯一合法來源

6、行業競爭格局

7、最新科研進展

7a.  基于3D打印微流控芯片產生的血管類器官

7b.  體外β細胞類器官有望為胰島再生提供新方案

7c.  大腦類器官揭示自閉癥高危基因突變及后果

8、現有的技術瓶頸

01 科普及市場規模

類器官（Organoids）指利用成體干細胞或多能干細胞進行體外三維（3D）培養而形成的具有一定空間結構的組織類似物。盡管類器官并不是真正意義上的人體器官，但能在結構和功能上模擬真實器官，能夠最大程度地模擬體內組織結構及功能并能夠長期穩定傳代培養（因此也被稱為“微型器官”）。

過去十年中，類器官的發展被譽為是干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+腸道干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公開發表文獻中搜索“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），僅次于美國。中國科研積累的提升將加速類器官產業化的進程。

類器官文獻年度發表數量

類器官可以從成體干細胞（ASCs）、多能干細胞（PSCs）（即胚胎干細胞，或ESCs），或誘導的PSCs（iPSCs）中衍生。類器官培養系統主要包括基質膠、維持類器官生態所需因子和分化所需因子這幾個主要元素。基質膠中含有膠原、巢蛋白和纖連蛋白等等，為類器官形成三維空間結構提供基質。維持類器官生態因子主要目的為促進細胞的增殖和抑制細胞凋亡等。常用的基質膠為美國BD Biosciences公司的Matrigel?，在行業內處于較為壟斷的地位，價格較高。Matrigel可以產生類似于哺乳動物細胞基底膜的生物活性基質材料，幫助多種類型的細胞達到附著和分化。

獲得類器官的兩種方法^[2]

類器官技術作為一種工具，在基礎研究和臨床診療研究中擁有廣闊的應用前景，包括發育生物學、疾病病理學、細胞生物學、精準醫學以及藥物毒性和療效測試。這項技術也為再生醫學提供了巨大的潛力，通過用類器官培養物替換受損或患病的組織，為自體或異體細胞治療提供了可能性。

將類器官技術應用于臨床，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起臨床試驗于FDA官方備案。中國國內2017年起注冊且獲倫理委員會批準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）。從癌種分布看，目前國內研究癌種多為消化系統腫瘤、胰腺腫瘤、乳腺腫瘤。

2017以來開展了≥3個類器官臨床試驗項目的癌種

相關報道稱，2019年北美類器官市場達到2.9139億美元，預計將在2027年達到14.0647億美元，將以21.7％的復合年增長率增長。根據世界衛生組織發布的最新數據，2018年，全球新發癌癥1810萬例，而中國新發癌癥429萬，占比全球23.7%。預計2040年，全球新發癌癥病例高達2950萬例^[3] 。預估國內類器官市場將達百億以上。隨著新的藥物管線的不斷涌現，臨床和患者對個體化治療的需求日益增進，市場空間將持續增長。

02 類器官與其他模型的比較

永生化細胞系，可以檢測靶點的結合情況以及細胞的活性，但是2D細胞模型體外擴增有一定局限性，在傳代后容易喪失原腫瘤的遺傳異質性，容易發生優勢克隆選擇，且臨床相關性較低。

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、周期長、對于藥物篩選通量有很大局限性等。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，在類器官培養一周之后就可以進行藥篩。從樣本采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

類器官用于癌癥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]。

藥篩模型對比（來源：中國網醫療頻道）

03 產業鏈梳理

類器官產業鏈

類器官的下游客戶主要分為科研應用(高校/醫院)、臨床應用（醫院/患者）和研發應用（藥企/CRO）。部分人類疾病分析難以通過動物模型模擬來完成，且動物模型培養成本高、耗時長、重復性低，類器官模型能夠模擬正常組織及不同階段的癌變過程的組織；且其培養體系簡單易操作，時間和金錢成本較低，并具有較高效率。

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發布的含Organoid的學術論文于2019年已經超越PDX模型論文年發表數量，中國國內2017年注冊且或倫理委員會批準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，科研院校將搭建并優化自己的平臺做培養和檢測，但科研市場高度定制化需求難以提供標準化服務。

臨床研究應用目前主要為癌癥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，而未來用于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：由于未寫入指南，患者的認知度以及臨床醫生的送檢意愿有限，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。類器官對于患者，尤其是對于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拓展適應癥等方向。目前大約85%的臨床前藥物在進入臨床試驗后開發失敗，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，對于后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、恒瑞、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，并降本增效，藥物研發市場將具有最大的商業價值。在me-too背景下，藥企對于新藥研發降本增效、提高成功率的需求劇增，未來對于類器官帶來的價值的支付意愿相較于其他市場更強。

04 國家政策助力類器官賽道

科技部，衛健委及CDE近2年不斷出臺政策為類器官的廣泛應用松綁，同時人遺資源的監管逐漸收緊，類器官產業將在鼓勵和規范政策并行的政策環境下發展

2021年1月28日，科技部下發的《關于對“十四五”國家重點研發計劃6個重點專項2021年度項目申報指南征求意見的通知》中，把“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）》（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。

節選自《基因治療產品非臨床研究與評價技術指導原則（試行）》

節選自《基因修飾細胞治療產品非臨床研究技術指導原則（試行）》

在臨床市場，國家推行鼓勵LDT及ICL的實施，推進科研成果轉化至臨床應用。醫院可根據臨床需要，自行研制創新IVD試劑，并在院內使用。其中上海浦東新區的醫院可以先行開展LDT。上海市衛健委推行鼓勵LDT、第三方醫檢所的實施方案，支持市級醫療衛生機構率先建立科研成果轉化機構，鼓勵和支持醫療衛生機構委托第三方服務機構開展技術轉移服務。

05 行業技術發展方向

目前類器官的技術發展重點主要有三個，分別是器官芯片、AI高通量自動化和類器官樣本庫（Biobank）。以微流控、3D打印技術為主的工程化解決方案將解決類器官現存弊端，并實現從研發端到商業應用端的過渡，成為標準化的應用工具。AI高通量自動化則可以應用于樣本質控以及培養、使用過程的標準化，提高成功率并優化節約人工參與的時間，且便于臨床運用。而Biobank的建立使生理學相關的藥物篩選成為可能，利于將科研成果轉化為市場應用。

1.微流控技術作為生物工程核心技術之一已實現臨床化

相較于其他技術，微流控芯片、3D生物打印解決了目前材料難成型、建模成型時間短，取樣小的問題，并且較大的體積可以滿足藥物的傳輸動力學需求。

微流控芯片相較于傳統動物實驗，擁有三個技術優勢：

（1）更具成本效益：微流控芯片上的器官比傳統的動物試驗更具成本效益，同時比傳統類器官培養檢測，可以用更小的細胞/組織量測更多的指標；

（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）便于監測健康狀態與動態：納入實時組織功能傳感器，如微電極或光學顯微鏡標記物（如熒光生物標記物）。

流控芯片目前主要應用在科研場景，仍然面臨技術挑戰。主要的挑戰在于三個方面：

（1）集成技術難點：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集成，但做得不好；商業領域：多數在培養皿/類培養皿結構上借助水流和壓力完成，用膜結構的技術難度大于膜的集成和膜的加工技術，培養皿作為成套系統，集成較難。

（2）重復性較低：給藥濃度的調控，最后樣品的收集，不是每次實驗都能重復得很好。性價比不高。

（3）硬件壁壘：與國外差距主要在于光刻機的精度、耐久性。

2.AI結合高通量自動化賦能類器官的各個環節

與其他賽道類似，AI在類器官領域更多的是在未來大規模推廣和臨床使用中用更便捷的方式解決可機械化的人工問題。當前AI科研熱點更多關注類器官培養端，而使用端結合大數據將會帶來更多的顛覆性商業機會。未來將AI、自動化技術結合微流控芯片形成軟硬件集成的智能解決方案將成為以后商業化的主流產品形式。

AI科研熱點

3.Biobank目前醫院仍是樣本唯一合法來源，而多個機構已經開始樣本庫的建設。而隨著科技部人遺辦監管的不斷加強，未來Biobank將會有更多政府的參與和監管。

Biobank產業鏈

當前Biobank的難點在于：

（1）.樣本庫里組織有限，類器官模型目前的數量以及涵蓋的癌腫遠不及pdx :

    1a.主要存儲的為主流癌腫：肺癌、腸癌、胃癌、乳腺癌，另外較多的還有胰腺癌和頭頸癌。

    1b.由于類器官公司主要通過提供藥敏檢測獲取樣本，正常組織類器官存儲量很有限

（2）類器官模型培養及維持的成本高，技術也有不足.類器官的復蘇與擴增的失敗率較高，凍存穩定性需要繼續挖掘。

06 行業競爭格局

類器官的領頭人Hans Clevers成立的Hubrecht Organoid Technology（HUB）是類器官最早的研發中心，HUB技術授權促進了第一批類器官公司的涌現。目前類器官公司多為政府、學術界和產業界三方聯動的助推模式。產品銷售和服務的混合商業模式。類器官應用于藥篩的頭部公司，需要具備泛癌種培養能力以及達到商業轉化水平的穩定性的水平，有嚴格的質量控制和標準化體系，且在培養涉及的儀器和鑒定篩選平臺方面需要往自動化方向靠攏。

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），僅次于美國。

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干細胞相關的業務，后續才拓展出了類器官板塊。由于上述壁壘，國內開展腫瘤藥篩的類器官公司數量也并不多，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并沒有明顯的落后趨勢。

國內外類器官公司（表5）

國內賽道融資歷史

國外賽道融資歷史

從投融資次數和金額來看，類器官整個行業都還處于比較早期的階段，類器官行業尚未在國內形成集中化產業集群。競爭剛剛起步，擁有核心技術優勢和完整生產鏈、盡早布局該行業的企業將具有先發優勢。

另一發展契機在于，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]。

07 最新科研進展

1.基于3D打印微流控芯片產生的血管類器官

2022年4月12日在Lab on a Chip上的一篇文獻，來自魯汶大學機械工程系生物力學科生物工程和形態發生實驗室的Idris Salmon等人，開發了一種基于人類多能干細胞的方法，來產生以空間決定的方式與血管細胞相互作用的類器官。這種基于3D打印的平臺旨在與任何類器官系統兼容，為理解和操縱組織特異性類器官與脈管系統的共同發展開辟新的途徑^[8] 。

3D打印微流體平臺，用于片上血管化類器官培養物

3D打印微流控芯片中的血管網絡表征和類器官侵襲

2.體外β細胞類器官有望為胰島再生提供新方案

4月8日發表在Nature Protocols的文獻里，Jingqiang Wang等從成年小鼠中分離胰島祖細胞，使功能性胰島類器官在體外的有效生成和長期擴增成為可能。其團隊通過延長培養期和循環葡萄糖刺激來實現胰島類器官功能成熟。所得類器官主要由β細胞組成，也含有少量α、δ和胰多肽細胞。該方法為體外生成β細胞提供了一種策略，為研究胰島再生和相關疾病提供了一個類器官模型^[9]。

體外胰島類器官和體內類器官細胞的表征

3.大腦類器官揭示自閉癥高危基因突變及后果

2022年4月5日，奧地利科學技術研究所發現自閉癥高危基因的突變以及如何破壞大腦重要的發育過程，利用微型的大腦模型幫助我們理解自閉癥。有別于先前使用小鼠的模式，此次研究使用大腦類器官獲得巨大的進展，結論指出是CHD8突變破壞神經元生產平衡，造成患者大腦發育不全^[10]。

對照實驗，突變類器官過度生長

08 現有技術瓶頸

類器官現在面臨的關鍵技術瓶頸是無法實現體積和功能的同步生長，而解決此問題首先需要解決其中的主要問題，包括培養方式、血管化及定量化研究等。

1.血管化。目前大多類器官本身并不具備血管化的結構。因此，隨著類器官體積的增長，類器官受限于氧氣的缺失以及代謝廢物的增加，可能導致的組織壞死。已有研究構建血管內皮細胞微環境的腫瘤類器官，將類器官腫瘤細胞和血管內皮細胞在Matrigel上共同培養，生成血管結構以期解決類器官血管化缺失的問題。

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系。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征^[6] 。以上皮類器官和免疫細胞共培養模型為例，可通過在培養基中添加活化的免疫細胞、在組織消化成單細胞后和免疫細胞共同生長、添加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。相比于單個類器官，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于腫瘤的抑制效果，對于其他器官組織是否存在其他副作用和安全性風險并不能做出預判。為了解決這一問題，2017年Skardal et al.構建了有心臟、肺部、肝臟組成的集成于閉合循環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]。

從臨床應用的角度分析，類器官很難完美模擬出原腫瘤的全部功能。腫瘤組織在人體中是高度異質性的復雜存在，但是對于預測藥敏的關鍵指標來說（如細胞抑制率），類器官只需要達到一定程度的復雜性即可給出較好的答案。

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，但是對于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于藥篩。

又比如說，如果某個藥物的研究重點是需要跨越血腦屏障，那么腦類器官構建重點便是需要有完整的血腦屏障結構，對于其他特征（如細胞和周圍血管的相互作用）可能并不會優先考慮。

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，但考慮到周期、成本等關鍵應用因素，尚且無法兼顧所有條件。有朝一日，如果這些特征都能在成本周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。

References：

1. Sato, T., Vries, R. G., Snippert, H. J., van de Wetering, M., Barker, N., Stange, D. E., van Es, J. H., Abo, A., Kujala, P., Peters, P. J., & Clevers, H. (2009). Single LGR5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche. Nature, 459(7244), 262–265. https://doi.org/10.1038/nature07935

2. Regnard, G., & Hamers, S. (2020, May 28). Organoids: Definition, culturing methods, and clinical applications. CytoSMART. Retrieved May 7, 2022, from https://cytosmart.com/resources/organoids

3. World Health Organization. (2020, January 1). Cancer China 2020 country profile. World Health Organization. Retrieved April 18, 2022, from https://www.who.int/publications/m/item/cancer-chn-2020

4. Li, M., & Izpisua Belmonte, J. C. (2019). Organoids — preclinical models of human disease. New England Journal of Medicine, 380(6), 569–579. https://doi.org/10.1056/nejmra1806175

5. Vlachogiannis, G., Hedayat, S., Vatsiou, A., Jamin, Y., Fernández-Mateos, J., Khan, K., Lampis, A., Eason, K., Huntingford, I., Burke, R., Rata, M., Koh, D.-M., Tunariu, N., Collins, D., Hulkki-Wilson, S., Ragulan, C., Spiteri, I., Moorcraft, S. Y., Chau, I., … Valeri, N. (2018). Patient-derived organoids model treatment response of metastatic gastrointestinal cancers. Science, 359(6378), 920–926. https://doi.org/10.1126/science.aao2774

6. Cattaneo, C. M., Dijkstra, K. K., Fanchi, L. F., Kelderman, S., Kaing, S., van Rooij, N., van den Brink, S., Schumacher, T. N., & Voest, E. E. (2019, December 18). Tumor organoid–T-cell coculture systems. Nature News. Retrieved April 19, 2022, from https://www.nature.com/articles/s41596-019-0232-9/

7. Skardal, A., Murphy, S. V., Devarasetty, M., Mead, I., Kang, H.-W., Seol, Y.-J., Shrike Zhang, Y., Shin, S.-R., Zhao, L., Aleman, J., Hall, A. R., Shupe, T. D., Kleensang, A., Dokmeci, M. R., Jin Lee, S., Jackson, J. D., Yoo, J. J., Hartung, T., Khademhosseini, A., … Atala, A. (2017). Multi-tissue interactions in an integrated three-tissue organ-on-a-chip platform. Scientific Reports, 7(1). https://doi.org/10.1038/s41598-017-08879-x

8. Salmon, I., Grebenyuk, S., Abdel Fattah, A. R., Rustandi, G., Pilkington, T., Verfaillie, C., & Ranga, A. (2022). Engineering neurovascular organoids with 3D printed microfluidic chips. Lab on a Chip, 22(8), 1615–1629. https://doi.org/10.1039/d1lc00535a

9. Wang, J., Wang, D., Chen, X., Yuan, S., Bai, L., Liu, C., & Zeng, Y. A. (2022). Isolation of mouse pancreatic islet procr+ progenitors and long-term expansion of islet organoids in vitro. Nature Protocols. https://doi.org/10.1038/s41596-022-00683-w

10. Villa, C. E., Cheroni, C., Dotter, C. P., López-Tóbon, A., Oliveira, B., Sacco, R., Yahya, A. ?., Morandell, J., Gabriele, M., Tavakoli, M. R., Lyudchik, J., Sommer, C., Gabitto, M., Danzl, J. G., Testa, G., & Novarino, G. (2022). CHD8 haploinsufficiency links autism to transient alterations in excitatory and inhibitory trajectories. Cell Reports, 39(1), 110615. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.110615

11. 干細胞者說. (2021, April 14). 腫瘤類器官：替身試藥，未來可期. 中國醫療. Retrieved April 19, 2022, from http://med.china.com.cn/content/pid/251936/tid/1026