QLF-3108

OTC2025论坛深度聚焦类器官与疾病建模、新药发现/研发、3D细胞培养、类器官培养及质控。展位咨询请联系：王晨 180 1628 8769。 类器官技术在新药评价中的应用进展 类器官是在体外由干细胞驱动形成的具有来源器官显微解剖特征的多细胞三维结构，具有自我更新、自我组装、可长期传代培养、来源广泛、成功率高、建模时间较短等特点［１－２］。自2009年荷兰科学家Sato等［３］首次成功培育出小肠类器官以来，类器官相关研究得到了快速发展，并且分别在2013和2018年被Science杂志与Nature Methods杂志评为“年度十大技术”和“2017年度最佳方法”。随着多种类型的类器官如肠、肝脏、肾脏、肺脏、膀胱等在体外成功培养，其在药物研发、精准医疗、再生医学、基因编辑、器官发育等领域中也得到了广泛的应用［４－６］。 目前，新药评价过程中的临床前评价常采用二维细胞模型和动物模型，然而由于种属差异等原因，无法准确预测药物在人体内的作用，候选药物进入临床研究后常面临失败的结局。随着类器官的发展，因其能够在体外高度模拟体内器官的组织结构及代谢特征，为新药评价提供了新技术。本文主要介绍类器官在新药评价中相关应用情况，包括类器官在临床前和临床研究中的应用现状及相关政策法规监管等。 １类器官概述 广义的类器官是一类以干细胞衍生类器官、器官芯片以及这些产品组合等为代表的仿生组织器官的统称。类器官是将干细胞接种在基质胶或基底膜提取物中，并经过特定的细胞因子混合物作用，培养获得的具有器官特异性的三维细胞培养产物。类器官通常来源于胚胎干细胞（ESCs）、诱导多能干细胞（iPSCs）、成体干细胞（ASCs）等［７］。其中，ESCs类器官可以模拟体内器官组织发育，在形态学特征研究及器官移植方面应用较多；iPSCs和ASCs类器官在药物筛选、精准医疗、难治疾病建模等方面发挥较大作用［８－９］（见图１）。器官芯片是在微流体芯片上构建迷你器官或组织以模拟人体器官或组织的结构、功能以及微环境的工程化微器件［１０］，在体外构建的高度复杂的器官微生理系统可以模仿人体组织的各种功能。类器官与器官芯片是2个独立的概念，类器官偏重于干细胞的自分化、自主装，而器官芯片则更偏重细胞微环境的模拟［１１］。随着生物技术的发展，3D生物打印技术作为一项新兴的生物工程技术，使用活细胞、生物材料、生化因子等成分为原材料，按照仿生形态学及生物体功能的要求，在类器官、器官芯片、微生理系统等多种体外模型的构建中得到了广泛应用［１２］。生物3D打印可提供一种高自由度和高标准化的平台技术，且具备高通量、可异质化等优势，可以实现复杂功能性的组织模型构建，在研究疾病发生机制、药物筛选等方面具有重要作用。 图 １ 类器官的临床应用示意图 ２类器官在药物评价中的应用现状 ２．１类器官在临床前研究中的应用现状 目前，药物临床前研究主要利用二维细胞模型和动物模型进行药物靶点发现、药物疗效与安全性评价。然而，传统的二维细胞模型或动物模型在某些疾病研究上存在一定的局限性。例如，罕见疾病由于具有病情复杂、临床表现多样化、病种繁多等特点，难以建立稳健的疾病动物模型。类器官技术的出现在一定程度上能够克服动物实验模型与人体存在种属差异的挑战。 在药物靶点发现方面，科研人员可以通过类器官技术构建体外疾病模型，帮助理解疾病机制，从而发现潜在药物靶点，确定安全性或药效学生物标记物。有研究成功构建了肠道类器官模型，并模拟了新型冠状病毒感染肠道的全过程，结果显示其对不同上皮组织的感染方式具有相似性，进而可以帮助确定药物靶点的作用机制［１３］。有研究人员从人类干细胞中培养出基因工程人类肾脏类器官模型，并通过体外及原位异种移植研究了罕见疾病结节性硬化症，结果显示TSC1或TSC2双等位基因失活会引发多效性发育后果，这为理解该疾病发病机制提供了重要支持［１４］。 在药物安全有效性评价方面，类器官模型具有高通量筛选的特点，能够高效地筛选化合物，进而可以筛选出具有潜在治疗作用的候选药物，可用于药物疗效与安全性方面的研究。在药物疗效研究中，有研究利用来自HUB Organoids生物样本库中72个大肠癌样本建立类器官模型，对500多个双特异性抗体进行筛选，从中发现了MCLA -158 EGFR x LGR5双特性抗体能够有效抑制结直肠癌类器官的生长，并防止转移的发生［１５］。Han等［１６］利用人源化多能干细胞建立了肺脏类器官和结肠类器官模型，对美国FDA批准的药物进行高通量筛选，结果显示伊马替尼、霉酚酸等小分子药物能够显著抑制严重急性呼吸综合征冠状病毒2型进入细胞，验证了类器官模型可用于新型冠状病毒感染患者候选药物的筛选。有研究利用肿瘤患者来源的转移性胃肠癌器官模型预测患者对抗肿瘤药物的治疗反应，结果显示阳性预测值为88%，阴性预测值为100%［１７］，表明患者来源的肿瘤类器官模型在临床试验中可反映药物对患者的疗效，可用于抗肿瘤药物有效性筛选。另有研究利用3D生物打印技术构建了肝癌簇大小可控的3D共培养微流控模型，用于新型抗CD147单克隆抗体metuzumab的药效学实验，结果显示与2D模型相比，新模型中肝癌细胞在迁移性能、增殖性能和蛋白表达水平方面受药物剂量增加的影响较小，且疗效结果与动物实验和类似抗CD147抗体药物的临床试验结果一致［１８］。在药物安全性研究中，有研究报道了类器官可代替动物模型进行药物毒性研究，Shinozawa等［１９］开发了基于人类肝脏类器官的高通量毒性筛查模型，对已上市的238种药物进行毒性研究，其中包括32个阴性对照药物和206个已证明可导致药物性肝损伤的药物，结果显示类器官模型具有较强的毒性预测能力。另有研究报道，通过利用集成仿生阵列芯片S1芯片建立了人原代肝细胞3D模型，该模型具有高度准确的预测药物性肝损伤能力，与传统2D培养模型相比，人原代肝细胞3D模型在预测敏感性和阳性预测率方面表现更好，并且能够减少动物实验的局限性，这一研究成果对于药物研发具有重要意义，有助于提升药物安全性评估的准确性，降低新药研发风险［２０］。 ２．２类器官在临床试验中的应用现状 ２．２．１新药临床试验申请（IND）申报及临床开发情况 目前，国内外已有多个利用类器官技术申报获批的IND。国际上最早在2022年8月9日由赛诺菲公司和Hesperos器官芯片公司合作进行的新药SAR445088的IND申请获美国FDA批准，成为全球首个基于类器官芯片研究获得临床前数据的新药进入临床试验（NCT04658472）。值得注意的是，慢性炎症性脱髓鞘性多发性神经病是一种罕见疾病，这种疾病很难在动物模型中复制。然而，在新药开发过程中，研究人员利用类器官芯片系统成功模拟了罕见自身免疫性神经病变的疾病机制，测试候选药物对罕见病患者的疗效，以类器官芯片数据成功支持了SAR445088新药IND申报［２１］。类器官技术在IND申请中获得药品监管机构的认可和批准，标志了这一创新技术在全球药品研发领域中的应用迈出了重要一步。 在我国，本土制药企业如恒瑞医药股份有限公司等也紧跟国际趋势，利用类器官数据推动和加速新药研发进程，且取得了显著成果。2023年5月，恒瑞医药股份有限公司HRS-1893片的IND申请获得我国国家药品监督管理局（NMPA）批准，是国内首个使用心脏器官芯片数据获批进入临床试验的新药。在临床前筛选过程中，研究团队利用心脏类器官收缩振幅及钙瞬变峰值的影响进行化合物体外活性和药物选择性的筛选［２２］。紧随其后，2023年6月28日，北京艺妙神州医药科技有限公司自研的新一代抗肿瘤药物IM83嵌合抗原受体T细胞（CAR-T）注射液也获得了NMPA的药物临床试验许可，用于治疗晚期肝癌。在此项目中，研究者利用肿瘤类器官模型对CAR-T药效进行评价，进而快速准确筛选出有效候选CAR-T药物［２３］。2023年7月24日，齐鲁制药集团有限公司开发的双特异性抗体肿瘤Ⅰ类新药注射用QLF3108获得临床许可，目标适应证为晚期实体瘤。在IND申报过程中，研究团队利用IBAC O2芯片构建肿瘤类器官免疫共培养模型对QLF3108进行药效评价，为IND申报提供了关键性数据并最终成功获批［２４］。 以上基于类器官数据成功获批的IND案例不仅展示了类器官技术在新药评价中的巨大潜力，也为我国乃至全球的药品研发领域带来了新的希望和动力。这些案例中，新药SAR445088 IND申请是完全基于类器官芯片研究获得的临床前数据，并且案例中的体外模型服务提供方在开展实验时，均具备常规开展药物临床前研究所需的各项资质，如ISO质量管理认证、GMP标准、CNAS认可等。 ２．２．２我国临床试验注册中心临床试验登记情况 为了解类器官在我国临床试验注册中心的临床试验登记情况，以“类器官”或“芯片”为关键词在中国临床试验注册中心网站检索。截至2023年12月，中国临床试验注册中心共登记了53项类器官相关临床试验，包括35项观察性研究、11项干预性研究、2项诊断性研究、3项基础科学研究、1项病因学／相关因素研究、1项预后研究。其中，干预性研究按临床阶段分为0期（7项）、Ⅰ期（1项）、Ⅱ期（1项）和治疗新技术（2项）临床试验。其中，大部分为肿瘤类器官相关临床试验（52项），非肿瘤临床试验仅有1项。 肿瘤类器官相关临床试验中，研究最多的依次为乳腺癌（8项）、胰腺癌（6项）、胃癌（5项），见表1。这些研究涵盖了类器官技术、3D生物打印以及器官芯片等，例如“基于类器官技术的局部晚期乳腺癌患者个体化治疗观察性临床研究方案”（ChiCTR2100054884）回顾性验证类器官模型对局部晚期乳腺癌患者术前化疗药物敏感性的一致性，探索类器官模型是否可以为局部晚期乳腺癌患者从术前化疗中获得更高病理学完全缓解（pCR）率。另一个例子是“3D生物打印类器官药筛在胰腺癌辅助化疗中的临床应用”（ChiCTR2200066886），通过前瞻性多中心随机对照的临床试验设计，评估类器官平台辅助胰腺癌化疗对患者疗效和预后的影响，进一步规范胰腺癌辅助治疗的用药方案选择。此外，还有“基于微流控类器官芯片的免疫微环境评估模型指导临床肺癌精准免疫治疗”（ChiCTR2300070858），该研究通过创新式设计微流控肿瘤类器官芯片和构建串联式免疫微环境评估的体外仿生模型，模拟复杂的体内微环境，对比体外免疫微环境药物敏感性筛选结果与临床实际用药方案及疗效的一致性，确认类器官芯片在指导肿瘤精准免疫治疗方案制定中的可行性和优势。这些研究不仅突出了类器官技术在临床应用中的多样性和潜能，也为未来的精准医疗提供了新的思路和方法。 表 １ 我国乳腺癌、胰腺癌、胃癌类器官临床试验登记情况（截至2023 年12月） ２．２．３美国临床试验注册库临床试验登记情况 截至2023年12月，美国临床试验注册库（Cliniacal-Trials.gov)中类器官相关临床试验登记有197项，包括117项观察性研究和80项干预性研究。其中，干预性研究按临床阶段分为0期（3项）、Ⅰ期（6项）、Ⅱ期（24项）、Ⅲ期（4项）临床试验和不适用（40项）。美国临床试验注册库中登记的临床试验分布在世界各地（见表2），如美国、中国、法国、荷兰、意大利、加拿大、德国、英国、比利时等。 与国内临床试验登记情况类似，美国临床试验注册库中登记的类器官临床试验以肿瘤相关研究为主（164项），非肿瘤类器官临床试验只有33项。其中，研究最多的为乳腺癌类器官相关临床试验（见表3），还有少部分肠道、脑、肺脏、肾脏、子宫内膜和胚胎等类器官的临床试验。美国登记注册的类器官临床试验内容与国内相似，主要利用人体来源的样本建立各种类器官模型，进行药物筛选、疗效和安全相关的评价，从而指导个体化治疗策略的制定。例如：一项“基于患者来源类器官模型对乳腺癌治疗进行药敏验证或预测的临床研究”（NCT03544047），旨在通过建立Ⅱ～Ⅲ期乳腺癌患者来源类器官模型，预测紫杉醇治疗乳腺癌临床疗效的一致性和准确性。此外，还有研究“基于类器官的胰腺癌新辅助治疗及预后预测平台开发”（NCT04777604），通过获取患者来源的胰腺癌组织构建类器官，并通过细胞活力测定方法检测对胰腺癌新辅助化疗抗癌药物的反应性。另一项临床试验“子宫内膜3D类器官在子宫内膜损伤修复中的建立及应用”（NCT05521932），该研究通过建立来源于宫腔粘连患者的子宫内膜类器官，旨在深入研究宫腔粘连的发病机制并寻求个体化治疗方案。 表 ３ 美国乳腺癌类器官临床试验登记情况（16项，截至2023年12月） ３类器官相关政策法规 随着类器官技术的发展，其在生物医药领域中的优势逐渐彰显，引起了国内外关注。为了推动类器官技术在非临床和临床研究中的应用，相应的支持性政策法规也相继出台。2021年12月3日，我国国家药品监督管理局药品审评中心发布《基因治疗产品非临床研究与评价技术指导原则（试行）》和《基因修饰细胞治疗产品非临床研究技术指导原则（试行）》，这2份指导文件首次将类器官技术纳入基因治疗和基因修饰细胞治疗产品的非临床研究评价体系中，并指出类器官可用于评估药物的有效性和安全性［２５－２６］。随后，药品审评中心2024年1月18日发布的《人源干细胞产品非临床研究技术指导原则》进一步指出：每种动物种属／模型均有其优点和不足，当缺少相关动物种属／模型时，基于细胞和组织的模型（如二维或三维组织模型、类器官和微流体模型等）可能为非临床有效性和安全性的评估提供有用的补充信息［２７］。这些指导原则的发布和实施为类器官技术的应用提供了明确的法规框架和科学指导。 此外，美国也在积极推进相关立法工作，以促进和规范类器官技术在药物研发中的应用。2022年6月8日，美国国会众议院通过了《2022年食品和药品修正案》（H.R.7667-Food and Drug Amendments of 2022），首次将微生理系统、生物打印模型、计算机模型作为独立的药物非临床试验评估体系纳入法案中［２８］。2022年9月29日，美国国会参议院通过《美国食品药品监督管理局现代化法案》（FDA Modernization Act 2.0)，并于2022年12月下旬正式签署通过。该法案标志着一个重要的转折点，终止了对药物研发者的“动物实验强制令”，并以“非临床测试和试验”取代原先的“动物实验”。这里的“非临床测试和试验”涵盖了体外测试、计算机模拟评价、体外化学分析法和其他可能包括动物实验的非人体体内试验［２９］。 ４结语 类器官以其独特的三维培养方式、细胞组成和功能特征，在模拟真实人体器官结构和功能方面具有显著优势。与二维细胞培养相比，其更接近原位组织的生理功能；与动物实验相比，更容易操作，且能够更准确地模拟人类发育和疾病特征。由人体组织来源建立的类器官模型为研究组织发育、内环境稳态和发病机制提供了有力的工具，有助于揭示人体对治疗的反应，进而探索可行的个体化治疗方案，并在药物研发方面具有良好的发展前景。然而，类器官技术的发展仍面临一些挑战。目前尚缺乏统一的标准体系指导类器官的构建和评价，而且并非所有器官组织都能成功构建类器官模型。此外，现有的类器官模型中缺乏神经、血管及免疫细胞，使其不能完全表现出器官的全部特征，对于疾病过程的模拟也只能实现部分重现。随着类器官技术的不断进步，迫切需要建立和完善相关规范和监管政策，以确保该技术构建流程标准化和科学化。类器官技术作为一项新兴的具有广阔应用潜力的评价技术，具有广阔的应用前景。为了推动类器官技术在新药评价领域中应用和持续发展，需要不断加强学术界、产业界和监管机构等多方合作与交流。通过这种跨领域的协同努力，类器官技术有望在新药评价领域不断取得新的进展与突破，从而为药物研发和临床诊疗带来显著改善。 参考文献：略 版权声明：本文章内容来源于中国新药杂志2024年第33卷第20期 END 免责声明：本文仅作知识交流与分享及科普目的，不涉及商业宣传，不作为相关医疗指导或用药建议。文章如有侵权请联系删除。 OTC2025论坛深度聚焦类器官与疾病建模、新药发现/研发、3D细胞培养、类器官培养及质控。展位咨询请联系：王晨 180 1628 8769。