类器官技术及产业进展

2024-03-17

ASCO会议

类器官能够高度模拟原位组织的生理结构、功能以及发育和维护过程，有着巨大的发展潜力，可广泛用于药物研发、疾病建模、发育生物学、疾病病理学、细胞生物学、再生机制、精准医疗和器官移植等领域，本文简要介绍类器官技术与产业发展现状。类器官（Organoids）是一类体外培养的由成体干细胞或多能干细胞分化而来的自组装三维（Three-dimensional，3D）细胞团，也被称为微型器官（Mini-organ）。从类器官的定义上，可知“自组装”是类器官形成的关键，即在无外力干预的条件下，干细胞或多能干细胞依靠各组分间的相互作用自我分化为多种结构的过程。尽管类器官并不是真正意义上的人体器官，但具有干细胞对应组织器官的细胞类型和复杂空间形态，并能够表现出细胞与细胞之间、细胞与其周围基质之间的相互作用和空间位置形态，可模拟组织器官的部分功能和生理反应，与来源组织具有极高的相似性并能够长期稳定传代培养。根据细胞来源的不同，类器官主要分为成体干细胞（Adult stem cells，ASCs或Somatic stem cells，SSCs）来源和多能干细胞（Pluripotent stem cells，PSCs）来源的类器官，而PSCs又分为胚胎干细胞（Embryonic stem cells，ESCs）和诱导多能干细胞（induced Pluripotent stem cells，iPSCs）。类器官内的自组织通过细胞谱系命运和细胞分类发生，此过程需要激活由细胞内部组分或外部环境（如细胞外基质（ECM）和培养基）介导的各种信号通路。ASCs衍生的类器官直接从成人组织中产生，或者从单个ASC或含有ASC的组织单元中产生，培养过程需要培养基中生长因子混合物的支持，这些生长因子在正常组织内稳态下重现了信号控制。ESC/iPSC衍生的类器官涉及使用各种生长因子或抑制剂的逐步分化方案，这些生长因子（或抑制剂）可以模拟原肠胚形成和器官发生期间的发育信号（图1）。图1：类器官来源示意图不同来源的类器官具有不同的特性及用途。例如神经外胚层如视杯、大脑类器官仅来源于PSC，因而研究精神遗传疾病、发育生物学主要利用PSC类器官；而ASC来源于组织中具有再生能力的前体细胞，主要应用于研究成体组织生物学、组织再生和精准医疗等（表1）。当代类器官的发展成果，主要集中在近十余年（表2）。类器官技术的快速发展像是为医学研究打开了一扇窗，填补了现有生物模型比如细胞系、动物模型的一些缺陷，在临床转化研究中显示出巨大的潜力。表1：不同来源类器官种类及其特点表2：近年来类器官的发展成果从模拟简单的细胞结构到如今能够重现器官复杂的生理功能，类器官技术逐步体现自身应用价值，落地应用场景不断拓展和丰富。类器官研究在发育生物学和疾病建模、药物筛选和研发、精准医学、再生医学、类器官芯片，甚至类器官智能等领域展现出无限可能（图2）。同时，类器官与器官芯片、生物反应器、微流控、实时成像和3D打印等新兴技术的交叉融合更进一步拓展了其应用范围和实用价值。图2：类器官应用场景产业链情况目前，全球类器官与器官芯片产业链上游主要包括仪器设备研发生产企业、试剂耗材研发生产企业，为行业提供类器官及器官芯片自动化高通量操作仪器、芯片制造、成像设备等仪器设备，以及包括培养板，试剂盒、水凝胶、纳米纤维、基质胶、合成支架、蛋白和专用耗材，微流控芯片及基材等在内的试剂耗材。中游为提供类器官、器官芯片及配套技术服务的企业。下游主要包括制药和生物技术企业（药企）、CRO、高校及其他科研院所、化妆品行业企业、医院、患者等（图3）。图3：类器官与器官芯片全球产业链图谱国内类器官全产业链发展格局初步形成，上中下游均有布局，但尚未形成集中化产业集群，类器官创新公司数量不足，且主要集中在沿海发达地区（图4）。拥有核心技术优势和完整生产链、尽早布局该行业的企业将具有先发优势。随着政策、科研、资本等要素的助力，预计有更多的类器官公司涌现，类器官产业创新生态逐渐完备。图4：国内类器官与器官芯片产业链市场及投融资近年，类器官在国内外的商业化进展突飞猛进，融资案例和融资规模持续增加，越来越多的药企通过购买产品、合作授权、投资等方式直接介入该领域。从全球来看，类器官与器官芯片领域融资情况波动相对较大，但仍呈持续上升趋势（图5）。其中，2018年和2021年全球类器官与器官芯片领域在融资事件和融资总金额均创新高，2018年共计发生8起融资事件，融资总金额达到7.7亿元；2021年共计发生13起融资事件，融资总金额达到14.6亿元。图5：2014～2022年全球类器官与器官芯片行业融资情况由于行业处于发展早期，全球市场整体融资表现受个别明星企业的融资影响大。比如，全球类器官与器官芯片领域迄今为止每一次投融资“新高峰”的形成，基本背后都有Emulate这家企业的大力助推：2016年，Emulate完成B轮2800万美元融资；2018年，完成C轮3600万美元融资；2021年，完成E轮融资8200万美元。另外一家明星初创企业——成立于2019年的Xilis，也已经成为推动投融资市场新高峰形成的重要“合力”，2021年全球类器官与器官芯片行业投融资史上最高峰的形成，其中有将近一半是Xilis的“功劳”。从投融资次数和金额来看，类器官和器官芯片行业都还处于早期发展阶段，竞争刚刚起步。拥有核心技术优势和完整生产链、尽早布局该行业的企业无疑具有先发优势。国内类器官公司的成立时间集中在2015年至2021年，整个行业处于早期的起步阶段。与之相匹配的是在资本市场上，类器官公司的融资也处于早期阶段，大部分处于天使轮至A轮。其中，商业化较早的科途医学、大橡科技、创芯国际经过多轮融资，先后进入B轮和Pre-B轮。从一级市场看，在资本市场遇到寒冬的2022年，类器官行业融资情况较为乐观，轮次从天使轮到B轮，金额从数千万到上亿元不等（不完全统计），近5年，我国类器官与器官芯片行业投融资一直在升温（图6）。2021年、2022年，国内类器官与器官芯片行业投融资增长趋势迅猛，不论是融资事件还是融资总金额都连连创新高，2021年发生融资事件6起，融资总金额2.5亿元；2022年发生融资事件9起，融资总金额近4亿元，部分公司最新融资事件详见表3。图6：近5年我国类器官与器官芯片领域融资情况表3：国内部分类器官公司最新融资情况国外在产业层面，由类器官行业鼻祖Clevers H创立的Hubrecht Organoid Technology（HUB）是类器官领域最早的研发中心，该中心的技术授权促进了Epistem（已被Foresight收购）、Cellesce、Crown Biosciences、STEMCELL Technologies等在内一批布局类器官技术企业的涌现。当前，国外有名的类器官公司，从高校研究所衍生而出的公司占多数，技术来源非常清晰，诸如Emulate、Mimetas、TissUse、Hesperos等。与此同时，制药巨头纷纷布局类器官领域，2015年以后，强生、默克、阿斯利康、辉瑞、赛诺菲、百时美施贵宝等20余家跨国公司通过购买产品、合作授权以及投资等形式入场，推动了类器官芯片从概念走逐步走向商业化。其中，赛诺菲在这一赛道处于领先地位，全球首款基于在人类器官芯片研究中的临床前疗效数据获FDA批准开展临床的新药便是来自赛诺菲及其合作公司Hesperos。此外，2023年5月，罗氏于宣布成立人类生物研究所（Institute of Human Biology，IHB），请来了类器官的鼻祖Clevers H教授领衔，成为跨国公司中首个重金押注该技术的医药巨头，重点推进类器官等人体模型系统领域的研究。EmulateEmulate是一家位于美国波士顿的私人控股公司，成立于2014年，诞生于哈佛大学Wyss研究所。Emulate提供的是一种更集成的解决方案，它推出的“人体仿真系统”是由器官芯片、硬件和软件应用程序等组成的、高度标准化的器官芯片平台，被誉为颠覆药物研发流程的“尖刀技术”。目前Emulate的器官芯片包括大脑芯片、结肠芯片、十二指肠芯片、肾芯片、肝脏芯片、肺芯片等。除器官芯片外，系统中包括“Zoë培养模块”、配件和分析软件。2015年，强生首次购买了Emulate的血栓芯片，以检测其在已上市或正在开发的药物中的凝血性能。罗氏利用Emulate的“人体模拟系统”研发新药，并利用患者衍生细胞和相应芯片测试患者或患者群体对药物的反应，从而促进个体治疗。武田将Emulate的肠芯片用于胃肠疾病的研究和开发。阿斯利康将Emulate类器官芯片技术纳入阿斯利康的IMED药物安全实验室。2020年，Emulate与FDA合作，使用其肺模型芯片评估新冠感染过程中的自体免疫效应和新冠疫苗的安全性。FDA还计划与Emulate合作解决包括使用脑芯片模拟阿尔茨海默病、使用肝芯片预测患者对药物的适应性等问题。Mimetas荷兰企业Mimetas，成立于2013年，致力于利用器官芯片细胞培养模型改变药物发现和开发方式。Mimetas开发了名为OrganoPlate的技术平台，这是一种微流控3D组织培养板，一个板可支持96个组织模型。通过利用一种名为PhaseGuide的专利液体处理技术，OrganoPlate能够让细胞在通道间自由交互和迁移，以及针对细胞外基质、优化的微环境以及灌注的管状组织实现无膜共培养。该公司已与多个全球Top20的药企合作，并在器官芯片销售数量方面处于行业领先地位。Mimetas目前生产出可直接将384孔板设计成芯片以进行高通量筛选的产品，并拥有后续摄像及分析设备和软件。CN Bio英国企业CN Bio，成立于2008年，致力于研发疾病器官芯片模型，目前已成功开发出非酒精性脂肪性肝炎和乙肝病毒感染新模型。在2016年，CN Bio从原本从事的生物芯片和3D细胞培养业务进入了器官芯片赛道，并支持肿瘤学、传染病、代谢和炎症等方向的体外研究。主要产品有PhysioMimix单器官系统和PhysioMimix多器官系统，将3D肿瘤模型置于PhysioMimix系统中，可以模拟人体药代动力学环境，有助于提高肿瘤药物研发成功率；PhysioMimix COVID-19 Assays，可用于研究新冠肺炎的感染机制，以及药物筛选、药物反应、宿主-病原体相互作用和免疫反应。目前，FDA正在与CN Bio开展合作，使用PhysioMimix OOC微生理系统来评估体外肝芯片模型对左氧氟沙星和肝脏毒性药物曲伐沙星的药效反应。FDA药物评估和研究中心计划评估其他单器官系统，例如肾脏芯片系统和CN Bio的Lung-on-a-Chip平台。TissUse德国企业TissUse，成立于2010年，业务领域包括产品⼀设备（自动化设备可以同时运行24个芯片），芯片平台（几乎所有的芯片都有）服务⼀药物筛选服务、精准医疗。TissUse开发了一种“Human-on-a-Chip”的技术平台，用于加速制药、化学、化妆品和个性化医疗产品的开发。这项技术是有史以来、第一次使用人体组织在芯片上以提供临床前研究、并预测化学物质及其代谢对模型的影响的技术。TissUse还开发了专有的商业化MOC（Multi-organ-chip）技术平台，这是一种微流体微生理系统，能够维持和培养微型器官等效物，长期模拟它们各自对应物的生物学功能。这项技术可在尽可能小的生物尺度上模拟多个人体器官在真实生理环境中的活动。目前，MOC平台支持从单一器官到复杂多器官的培养，甚至已经可以做到四器官培养，提供的器官模型涵盖了肝脏、肠道、皮肤、脉管系统、神经元组织、心脏组织、软骨、胰腺、肾脏、甲状腺、毛囊、肺组织、脂肪组织、肿瘤模型和骨髓等，现在还在开发更多的器官模型。国内在国内，类器官还是一个新赛道，技术与商业化运作都还处于追赶国外公司阶段，产业集群尚未完全形成，但近些年确实已经涌现一批创新公司，积极推动类器官产业化。国内头部药企百济神州、恒瑞医药开始布局类器官技术。早前百济神州与创芯国际签署战略合作协议，共同建立类器官新药研发技术平台。恒瑞医药的医学转化部门也开始将目光放在类器官药物研究方面。近年来，国内类器官行业发展迅速，2016～2021年成立的类器官企业已超过20家，陆续落地于北京、广州、上海、苏州、杭州等城市（图7）。随着中国基础科研积累的提升以及包括政府、资本等多方力量的助力，国内类器官产业化的进程将进一步加速，未来可看到更多类器官企业的涌现。图7：中国类器官/器官芯片公司地域分布图大橡科技北京大橡科技有限公司成立于2018年11月，是中国领先的研发和生产人体类器官芯片的高科技公司，致力于推动和引领类器官芯片在新药研发、疾病建模和个体化精准医疗等领域的广泛应用。大橡科技正在研发的类器官芯片是将类器官与器官芯片结合的创新技术平台。相比传统的2D/3D细胞系模型、动物模型，大橡科技类器官芯片能够更好的模拟人体组织/器官的生物化学和物理微环境，真实再现体内器官的诸多关键生理特征，具有更好的临床一致性，一定程度上解决了临床前模型种属差异导致的数据准确率低的行业痛点。截至2022年11月14日，大橡科技已完成了4轮融资。目前，大橡科技已经推出3款具有完全自主知识产权的国产器官芯片，已经构建包含3D细胞、屏障类、共培养等多类器官芯片模型，尤其在肿瘤方面，构建了肺癌、乳腺癌、胃癌、结直肠癌、肝癌器官模型和肿瘤相关成纤维细胞癌模型。科途医学北京科途医学科技有限公司成立于2016年8月，致力于类器官技术研发和转化的国家高新技术企业。科途医学在类器官领域深度布局，包括上游试剂耗材研发生产、疾病模型与数据库、临床医学检验、药物发现和转化医学CRO服务等。2022年8月4日，科途医学完成数千万元人民币的新一轮融资，由方富资本投资。此次融资资金主要用于临床前毒理药理平台升级、类器官多维数据挖掘以及市场拓展。目前，科途医学已经通过类器官关键试剂、体外和体内药理服务实现了自我造血，进入加速疾病模型库和数据库建设与临床前毒理药理服务相互促进的良性循环。创芯国际创芯国际生物科技（广州）有限公司成立于2018年3月，是一家以类器官技术为核心的生物医疗企业，旗下设有中欧类器官研究院和临床第三方检测中心。创芯国际被认定为“广东省类器官工程技术研究中心”，参与了类器官相关行业标准的制定、全球首个类器官临床应用专家共识的发布。目前，创芯国际已在类器官建模、药物敏感性检测、智能自动化三个方向进行深入研究和知识产权布局，专利总数占全球类器官领域的5%，且已发表全球第一个人工智能方向的数据集，在人工智能的研发上取得了突破性进展。丹望医疗丹望医疗科技（上海）有限公司成立于2019年11月，致力于将领先的类器官技术用于临床转化，包括对疾病的诊疗、新药筛选、肿瘤标志物开发与鉴定，为临床患者提供个性化的精准治疗方案，同时为药企提供“一站式”精准、高效、优质的类器官新药研发服务，是专注类器官疾病模型的平台型公司。目前，丹望医疗拥有全球领先的类器官技术创新平台，建立了肺、胰腺、乳腺、胃、肠、肝等多个人体器官正常组织与肿瘤组织的类器官培养体系，是类器官领域的先行者。2020年9月，丹望医疗宣布，国际类器官鼻祖Hans Clevers院士正式与丹望医疗签署合作协议，以联合创始合伙人和首席战略科学家身份加盟丹望医疗。挑战与展望类器官技术凭借其独特的性质模拟人类发育进化和疾病研究，改变了传统体外研究模式，填补了发育生物学和精准医学的长期空白。类器官与其他生物工程技术的结合以及多种类器官方法可以用来模拟免疫细胞对肿瘤细胞的行为、代谢以及药物动力学反应等更复杂的人类生理和病理环境，为下一代类器官平台以及再生医学中的潜力开辟了道路。然而，类器官要真正地进行医学和临床应用，还将面临诸多挑战，目前类器官的培养仍有很大的改进空间，包括器官成熟度、一致性、获得性（即放大生产的可能性）和临床级操作流程等，功能性的血管系统、神经系统或免疫系统等的缺乏使得类器官还远远比不上体内模型。总体而言，新兴的类器官技术已经对生物医学研究、个体化医学中的药物筛选以及与基因组编辑技术相结合的基因治疗等领域产生了影响，但广泛应用尚处于探索的初期阶段。随着研究的深入和技术的更新迭代，类器官技术将对改善人类生命健康，提升老龄化社会生命品质及生活质量具有重要的现实意义。【参考资料】1.Wilson HV. 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