干細胞誘導生成類器官行業研究報告

?

干細胞研究已經成為了生物學研究的一個重要分支，而研究干細胞的目的之一是幫助我們更好地理解生命發生的各個維度。細胞和細胞之間通過間質連接在一起形成細胞團，由于細胞內基因的差異化表達，進而形成了各類器官和組織。??

?

長期以來，科學家們都利用動物模型來進行疾病研究和藥物開發。而隨著干細胞技術的發展，科學家們可以利用新的培養方法，將多能干細胞或/和成體干細胞誘導產生一些類似于體內組織或者器官的三維結構——于是，類器官誕生了。??

1??科普與市場規模

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[Nature. 459, 7244: 262–265]。

圖1? 類器官發展歷程

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。

圖2? 不同種類類器官形貌圖. (a）小腸類器官形貌圖.（b） 結腸類器官形貌圖.（c）食管類器官形貌圖.（d）胃類器官形貌圖.（e） 肝臟類器官形貌圖.（f）胰腺類器官形貌圖.（g）肺類器官形貌圖.（h）乳腺類器官形貌圖.（i）腎類器官形貌圖.（j）腦類器官形貌圖

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。

圖3? 類器官文獻發表數量

類器官可以從成體干細胞(ASCs)、多能干細胞(PSCs)(即胚胎干細胞，ESCs)、誘導多能干細胞(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。

圖4? 獲得類器官的方法

[Organoids:?Definition, culturing methods, and clinical applications. CytoSMART. 2022]

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項臨床試驗于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。

圖5? 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。世界衛生組織國際癌癥研究機構(IARC)顯示，2020年全球新發癌癥病例1929萬例，中國新發癌癥病例457萬例；2020年全球癌癥死亡病例996萬例，中國癌癥死亡病例300萬例。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。

2? 類器官與其他模型的比較

目前，最常見的模型是細胞系、酵母、秀麗隱桿線蟲、黑腹果蠅、普通小鼠、斑馬魚、異種移植模型 (Patient-derived xenograft, PDX)?等，已被廣泛用于研究細胞信號通路、識別潛在的藥物靶點、開發新藥等方面，但也暴露出許多局限性。

?

（1）2D (Two-dimensional)?細胞系雖操作簡便，但通常只包含單一細胞類型，諸如腫瘤細胞系，缺乏原始腫瘤的異質性并且在體外培養中基因組不穩定。

?

（2）小鼠模型是大部分實驗室最常用的研究模型，但它和人類特有的生物現象存在固有差異，如大腦發育、新陳代謝和藥物療效等。

?

（3）非人靈長類 (Non-human primate，NHP)?雖然在系統進化樹上和人類最接近，具有高度相似的免疫系統、大腦結構和認知功能，但是價格昂貴，同時存在倫理限制、成像觀察的局限性、不可控的復雜變量、難以進行藥物高通量篩選等缺陷，限制其廣泛應用。

?

因此，根據“3R”原則 (Reduce，Reuse，Recycle) 和物種保護原則，需要探索能夠縮小與人體差異又兼具穩定、易操作、可廣泛應用的模型替代系統，來研究遺傳多樣性、疾病發病機制和預測藥物反應。

?

臨床試驗數據證實，直腸癌類器官（RCO）可以準確概括相應腫瘤的病理生理和遺傳變化。患者的化學放射反應與RCO反應高度匹配，準確度為84.43％，敏感性為78.01％，特異性為91.97％。這些數據表明，PDO?(Patient-Derived Organoids, 人源腫瘤類器官模型)?在臨床上可預測LARC患者的反應，并可能成為直腸癌治療中的輔助診斷工具。

圖6? 類器官模型與2D細胞系、小鼠模型、非人靈長類模型的比較

如上圖所示，根據類器官模型的特點，與傳統模型互補應用而非取代，將為人類生物學研究開辟新的途徑。

與傳統模型相比，類器官具有以下特性：