文｜動(dòng)脈新醫(yī)藥
1. 除了應(yīng)用于藥物研發(fā)之外，干細(xì)胞另一個(gè)新興的應(yīng)用領(lǐng)域“類器官”也在近10年快速發(fā)展。
2.類器官的突破性發(fā)展背后，Hans Clevers是關(guān)鍵性人物。
3.Hans Clevers不僅在科研上取得突破，他還很快參與孵化出了第一批類器官企業(yè)，例如HUB和Xilis。
4. 雖然師出同門，但是HUB和Xilis卻走上了不同的發(fā)展道路。
5.因?yàn)樵隗w外疾病建模、藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)、伴隨診斷、個(gè)性化醫(yī)療等領(lǐng)域的廣闊前景，國內(nèi)外已經(jīng)有數(shù)家企業(yè)正在積極布局類器官這一前沿領(lǐng)域。
6. 本文你將了解類器官發(fā)展的前世今生。
01、類器官研究鼻祖，科研實(shí)業(yè)兩不誤
早在20世紀(jì)80年代，“organoid（類器官）”一詞就已被提出。
類器官是一種三維(three-dimensional, 3D)細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)物, 是將干細(xì)胞接種于基質(zhì)膠或基底膜提取物中, 在特定細(xì)胞因子混合物的作用下經(jīng)過培養(yǎng)獲得的具有器官特異性的產(chǎn)物。類器官往往包含器官特異性的多種類型的細(xì)胞，并且能夠在體外重現(xiàn)部分器官功能。
但是直到2009年，Hans Clevers領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)團(tuán)隊(duì)才成功將來自小鼠腸道的Lgr5（+）腸道成體干細(xì)胞接種于基質(zhì)膠中，并在培養(yǎng)基中添加Wnt通路激動(dòng)劑R-spondin、TGF-β抑制劑Noggin、表皮生長因子等干細(xì)胞必要生長因子，培養(yǎng)出了具有隱窩樣和絨毛樣上皮區(qū)域的三維結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)就是小腸類器官( small-intestinal organoids)。
該類器官包含大多數(shù)終末分化細(xì)胞類型，可最大程度的模擬腸道上皮生理情況。這個(gè)培養(yǎng)方案也成為其他類器官培養(yǎng)的起點(diǎn)，后來該實(shí)驗(yàn)室又在此基礎(chǔ)上加入了煙酰胺、Alk抑制劑A83-01、前列腺素E2和p38抑制劑SB202190，實(shí)現(xiàn)了人結(jié)直腸腫瘤類器官的培養(yǎng)。
目前報(bào)道的各種類器官培養(yǎng)基均是在上述方案上增減不同的因子形成的，培養(yǎng)條件仍在不斷探索和改進(jìn)過程中，以達(dá)到提高成功率的目的。
經(jīng)過十余年的發(fā)展, 科學(xué)家們現(xiàn)已建立了胃腸道、食管、肝臟、胰腺、腦、肺、前列腺、乳腺、皮膚、腎臟、心臟、味蕾、唾液腺、角膜等多種類器官模型。
該項(xiàng)突破性的成果也得到了廣泛的認(rèn)可：2013年，類器官被《Science》評為年度十大科學(xué)技術(shù)，Hans Clevers也因類器官領(lǐng)域的開創(chuàng)性研究獲得了2013年科學(xué)突破獎(jiǎng)（Breakthrough Prize）；2017年，類器官被《Nature Medthods》評為“生命科學(xué)領(lǐng)域年度技術(shù)”；2019年，《NEJM》指出，類器官將作為一種革命性的人類疾病臨床前模型，廣泛應(yīng)用于腫瘤研究、精準(zhǔn)醫(yī)療和新藥開發(fā)。
這些突破的背后，Hans Clevers是關(guān)鍵性人物。這位干細(xì)胞與癌癥生物領(lǐng)域的大師級科學(xué)家，在2014年當(dāng)選為美國國家科學(xué)院院士，并于2019年獲得“引文桂冠獎(jiǎng)”生理學(xué)或醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獎(jiǎng)項(xiàng)。
早年間，Hans Clevers還曾是荷蘭烏得勒支大學(xué)免疫學(xué)教授以及該校分子遺傳學(xué)方面的教授；2002至2012年，Hans Clevers主管荷蘭Hubrecht研究所。Hubrecht是一個(gè)享譽(yù)全球的研究所，隸屬于荷蘭皇家藝術(shù)與科學(xué)院，主要的研究方向集中在發(fā)育和干細(xì)胞生物學(xué)。
正是在Hubrecht科研期間，Hans Clevers等人開創(chuàng)了類器官研究的時(shí)代，Hans Clevers團(tuán)隊(duì)可以說是憑“一己之力”在類器官萌芽初期，撐起了行業(yè)的發(fā)展。
基于上述研究成果，2013年Hans Clevers開啟了自己的科研轉(zhuǎn)化之路，參與創(chuàng)辦了HUB和Xilis。
02、最早的類器官研發(fā)中心催生出第一批類器官企業(yè)
2013年，Hans Clevers參與創(chuàng)辦了類器官技術(shù)孵化公司HUB，這也是全球類器官最早的研發(fā)中心。HUB是一家由Hubrecht研究所、荷蘭皇家藝術(shù)與科學(xué)院、KNAW和烏得勒支大學(xué)醫(yī)學(xué)中心創(chuàng)建的非盈利公司，專門運(yùn)營Hans Clevers博士的開拓性成果——類器官技術(shù)。
HUB的技術(shù)授權(quán)直接促進(jìn)了Epistem、Cellesce、Crown Biosciences、STEMCELL Technologies在內(nèi)的第一批類器官公司的涌現(xiàn)。
HUB的類器官技術(shù)具有“在實(shí)驗(yàn)室中體外模擬患者病灶”的作用，可以更好、更準(zhǔn)確地預(yù)測和模擬腫瘤異質(zhì)性和患者的用藥反應(yīng)，并對其進(jìn)行測試以評估不同的治療方案，這為學(xué)術(shù)界、臨床醫(yī)療和制藥/生物技術(shù)行業(yè)提供了廣闊的前景。
HUB還針對一系列器官和疾病類型進(jìn)行了開發(fā)、優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)化，以開發(fā)患者來源的類器官生物庫，這些生物庫可在長期培養(yǎng)中保持穩(wěn)定狀態(tài)，以便于直接應(yīng)用于后續(xù)的相關(guān)研究?；讵?dú)有的IP保護(hù)技術(shù)，HUB類器官可直接將患者上皮組織中的成體干細(xì)胞（ASC）在體外復(fù)制和分化，從而產(chǎn)生功能性的“培養(yǎng)皿中的迷你器官”。
這是一個(gè)重要的區(qū)別，它將HUB類器官與其他患者衍生的3D體外系統(tǒng)或使用多能干細(xì)胞（iPSC）或胚胎干細(xì)胞（ESC）的其他類器官技術(shù)區(qū)分開來。
與PSC源性類器官不同，ASC源性類器官有兩個(gè)來源：健康組織、腫瘤患者組織。PSC源性類器官通常通過胚胎干細(xì)胞或誘導(dǎo)iPSC獲取。ASC源性類器官是由組織特異性干細(xì)胞群發(fā)育而來。ASC的發(fā)育受到生長因子的支持，后者的存在確保了ASC自我更新并分化成各類下游細(xì)胞。這種ASC流程因Clevers實(shí)驗(yàn)室的一系列重大發(fā)現(xiàn)而逐漸應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)端。
HUB對該流程進(jìn)行了拓展和優(yōu)化，并利用健康組織和患病組織開發(fā)出三維類器官?；贏SC源性的類器官，不需要干細(xì)胞的重編程或轉(zhuǎn)化。因此HUB能夠開發(fā)出更穩(wěn)健的可再生類器官模型，可連續(xù)數(shù)代保留原始器官遺傳學(xué)和基因表達(dá)特征，包括臨床相關(guān)的突變。
目前，HUB已開發(fā)出各類腫瘤的腫瘤類器官。這些類器官基于腫瘤患者材料進(jìn)行開發(fā)，可用于建立腫瘤（和匹配的健康）類器官的生物樣本庫，據(jù)此獲取腫瘤患者人群中的表型和遺傳異質(zhì)性。
具體而言，HUB類器官技術(shù)具有以下特性：
▲ HUB類器官技術(shù)的特性，圖源Hubrecht Organoid Technology官網(wǎng)
基于上述特性，HUB類器官可應(yīng)用于以下領(lǐng)域：體外疾病建模，藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)，Dish臨床試驗(yàn)（CTiD）；伴隨診斷，安全性和毒性：個(gè)性化醫(yī)療。
HUB類器官基于上述特性和應(yīng)用，主要在生物樣本庫、模型和檢測開發(fā)服務(wù)、臨床前藥物開發(fā)服務(wù)，設(shè)有三個(gè)服務(wù)板塊。
▲ 臨床前藥物開發(fā)服務(wù)，圖源Hubrecht Organoid Technology官網(wǎng)
03、一筆融資7000萬美元，多家知名投資機(jī)構(gòu)青睞
除了類器官鼻祖Hans Clevers創(chuàng)辦的類器官技術(shù)孵化鼻祖HUB外，2019年，Hans Clevers作為聯(lián)合創(chuàng)始人，與Xiling Shen博士、David Hsu博士一起創(chuàng)辦了類器官研究公司Xilis。
Xilis總部位于北卡羅來納州達(dá)勒姆，專注于開發(fā)精準(zhǔn)的腫瘤學(xué)平臺(tái)，以指導(dǎo)腫瘤學(xué)家進(jìn)行治療決策，預(yù)測最有效的療法，加快制藥公司的藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)效率。
三位聯(lián)合創(chuàng)始人在生物醫(yī)學(xué)、腫瘤學(xué)和干細(xì)胞領(lǐng)域均有數(shù)十年的研究經(jīng)驗(yàn)。其中，Shen博士和Hsu博士均出自杜克大學(xué)。
Hsu博士是腫瘤內(nèi)科醫(yī)生出身，目前是杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)中心醫(yī)學(xué)副教授，專注于胃腸道惡性腫瘤和結(jié)直腸癌領(lǐng)域的研究。其實(shí)驗(yàn)室專注于使用癌癥的患者模型，以及高通量基因組和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，以此開發(fā)癌癥的新療法和診斷方法。
Shen博士曾是康奈爾大學(xué)和杜克大學(xué)擔(dān)任設(shè)計(jì)工程師和教職員工，擁有13年的產(chǎn)業(yè)和科研經(jīng)驗(yàn)。其工作重點(diǎn)是結(jié)合工程、計(jì)算、生物學(xué)技術(shù)來研究癌癥和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的患者模型。
兩位博士合作開發(fā)了Xilis的核心技術(shù)——MicroOrganoSphere（MOS）技術(shù)，通過擴(kuò)大其AI驅(qū)動(dòng)的能力，為癌癥患者提供個(gè)體化的精準(zhǔn)治療策略，并加速藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)。
Xilis專有的MOS技術(shù)平臺(tái)使用來自癌癥患者的組織樣本重建其腫瘤的微小模型，可保留原始組織樣本獨(dú)特的組織結(jié)構(gòu)、遺傳改變、基因表達(dá)、免疫微環(huán)境和組織病理學(xué)等特性。MOS技術(shù)克服了包括異種移植和類器官在內(nèi)多種腫瘤模型的主要局限性，在小規(guī)模模型中具有快速性、可擴(kuò)展性和預(yù)測性。
Hans Clevers對此表示：“自從我的實(shí)驗(yàn)室在十幾年前發(fā)明了類器官以來，我們?yōu)樵S多應(yīng)用提供了概念驗(yàn)證，但相關(guān)的技術(shù)進(jìn)展仍然緩慢，模型的建立也復(fù)雜且昂貴。Shen博士和Hsu博士發(fā)明的MOS技術(shù)消除了這些障礙，加速了其在臨床和藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)中的使用進(jìn)程?！?/p>
MOS技術(shù)平臺(tái)具有三大特性：
第一，高效、可擴(kuò)展、一致。
▲ 微型封裝系統(tǒng)，圖源：Xilis官網(wǎng)
圖說：Xilis的專有硬件是一種適應(yīng)性強(qiáng)的微型封裝系統(tǒng)，用于操作和研究復(fù)雜的生物學(xué)相關(guān)的3D組織模型。通過結(jié)合微流體、細(xì)胞外基質(zhì)、機(jī)器人技術(shù)、實(shí)驗(yàn)方案、檢測和專業(yè)知識(shí)，MOS技術(shù)可提供一種快速、自動(dòng)化、可擴(kuò)展和可重復(fù)的解決方案，適合于轉(zhuǎn)化研究的發(fā)展。
第二，捕獲患者整個(gè)腫瘤：MOS技術(shù)概括了患者原代組織的復(fù)雜性和多樣性。MOS可維持與原發(fā)組織樣本中發(fā)現(xiàn)的相同的異質(zhì)性腫瘤微環(huán)境，準(zhǔn)確地代表了患者的完整疾病狀態(tài)，是一種適用于測量細(xì)胞活力和藥物反應(yīng)的預(yù)測性腫瘤模型。
第三，高再現(xiàn)性。
▲ 高再現(xiàn)性，圖源Xilis官網(wǎng)
圖說：MOS技術(shù)克服了用于評估藥物反應(yīng)的傳統(tǒng)類器官技術(shù)的可重復(fù)性問題。如下圖所示，MOS技術(shù)可以生成可重復(fù)的數(shù)據(jù)，通過自動(dòng)化程序減少實(shí)驗(yàn)室人員的動(dòng)手時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)更好的一致性、準(zhǔn)確性和效率。
基于上述特性，Xilis目前布局有三大應(yīng)用領(lǐng)域：機(jī)器學(xué)習(xí)工具，精準(zhǔn)腫瘤學(xué)和藥物開發(fā)。
在免疫腫瘤藥物開發(fā)方面，Xilis的平臺(tái)為藥物開發(fā)人員提供了一種評估免疫腫瘤學(xué)候選藥物的創(chuàng)新技術(shù)。由于每個(gè)MOS都能捕獲患者腫瘤的全部微環(huán)境和細(xì)胞異質(zhì)性，因此Xilis的高通量平臺(tái)可用于研究單一藥物或聯(lián)合療法如何誘導(dǎo)免疫系統(tǒng)反應(yīng)，及其殺死腫瘤細(xì)胞的能力。制藥公司可使用Xilis的平臺(tái)來研究免疫治療候選藥物（例如檢查點(diǎn)抑制劑，CAR-T，TILs），以確保藥物安全有效，提高臨床試驗(yàn)成功率。
與傳統(tǒng)的患者衍生模型產(chǎn)生的結(jié)果相比，MOS可提供更快、更高的吞吐量和更低的成本，以及更具預(yù)測性和準(zhǔn)確性的結(jié)果。MOS還可用于大規(guī)模藥物基因組學(xué)研究。
▲ 藥物開發(fā)服務(wù)，圖源Xilis官網(wǎng)
圖說：Xilis 的MOS技術(shù)使藥物開發(fā)人員能夠擴(kuò)展和簡化臨床前和臨床開發(fā)的所有階段，從而使藥企更有效地利用資源。Xilis已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)全新類別藥物（如免疫腫瘤學(xué)）的離體建模。
當(dāng)然，這些技術(shù)和優(yōu)勢很快迎來了資本的關(guān)注。
2021年7月，Xilis完成了高達(dá)7000萬美元的A輪融資，獲得了包括Mubadala Capital、GV、Alix Ventures、Duke Angel Network、KdT Ventures、Felicis Ventures、Life Science Partners、Catalio Capital Management、Two Sigma Ventures、Pear Ventures等知名投資機(jī)構(gòu)的青睞。
04、技術(shù)孵化中心與“專精特”企業(yè)同步發(fā)展
可以看出，HUB跟Xilis在新藥研發(fā)與精準(zhǔn)治療領(lǐng)域都有相關(guān)的布局。兩家企業(yè)的聯(lián)系也十分明顯：“師出同門”，有類器官技術(shù)鼻祖Hans Clevers的光環(huán)加持。
但是，兩者的不同也由此衍生。首先，HUB是一個(gè)類器官技術(shù)孵化中心，基于它衍生了許多的類器官企業(yè)。Xilis目前的核心技術(shù)也是在此基礎(chǔ)上的衍生與優(yōu)化。通過Hsu博士和shen博士發(fā)明的MOS技術(shù)，簡化了類器官應(yīng)用的復(fù)雜程度，降低了類器官研究的昂貴成本。
此外，HUB的技術(shù)更為寬泛，體外疾病建模、藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)、伴隨診斷、個(gè)性化醫(yī)療等領(lǐng)域均有布局。而Xilis更加“專精特”，更集中于開發(fā)精準(zhǔn)的腫瘤學(xué)平臺(tái)，并衍生出了相關(guān)的預(yù)測方法、機(jī)器學(xué)習(xí)工具等，以指導(dǎo)腫瘤學(xué)家快速進(jìn)行治療決策，加快制藥公司的藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)效率。
類器官模型為科學(xué)研究與臨床應(yīng)用帶來新生機(jī)的同時(shí)，其從科研端轉(zhuǎn)化到市場端也有一些壁壘需要突破：
首先，類器官構(gòu)建花費(fèi)高、構(gòu)建難度較大，尤其是癌癥類器官中會(huì)摻雜正常類器官，造成癌癥類器官純度降低，這些問題限制了類器官的普及。
其次, 類器官目前并沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的培養(yǎng)模式，這些都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的差異與不穩(wěn)定。再而, 類器官的無法完全復(fù)制人體器官，只能稱為簡單的器官模型。最后，類器官的培養(yǎng)條件還尚需優(yōu)化，例如基質(zhì)膠成分不確定，以此培養(yǎng)類器官用于再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域會(huì)存在潛在感染等風(fēng)險(xiǎn)。
整體而言，其保真性、穩(wěn)定性以及如何精確控制微環(huán)境條件等仍然是類器官技術(shù)目前需要攻克的問題。
目前，國內(nèi)外學(xué)者聚焦于協(xié)同其他尖端技術(shù) (器官芯片、微移動(dòng)陣列、scRNA-seq、CRISPR-Cas9、高通量篩選等) 分析和改造類器官，精細(xì)優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)化類器官培養(yǎng)系統(tǒng)中每一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟 (培養(yǎng)基成分、細(xì)胞類型、數(shù)量、試劑添加順序等)，攻克細(xì)胞外微環(huán)境、血管、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、成熟度等難題，旨在提高類器官的穩(wěn)定性、保真性、重現(xiàn)性、可擴(kuò)展性。
面對這一神奇的新興技術(shù)，除了上述提及的企業(yè)外，國外布局該領(lǐng)域的還有Nortis、CN Bio、TissUse、Mimetas、Tara Biosystems、Emulate、Hesperos、Prellis、 System1、NextVivo等公司。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國目前也有大橡科技、科途醫(yī)學(xué)、創(chuàng)芯國際、捷諾飛、子瞻生物、丹望醫(yī)療、萬何圓生物、賽箔生物等相關(guān)企業(yè)在積極布局類器官領(lǐng)域。
*參考文獻(xiàn)：
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2.李瀟萌、管若羽、高建軍、華國強(qiáng)，類器官在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用《中國細(xì)胞生物學(xué)學(xué)報(bào)》，2021, 43(6): 1120–1131；
3.俞東紅、曹華、王心睿，類器官的研究進(jìn)展及應(yīng)用，《生物工程學(xué)報(bào)》，Nov. 25, 2021, 37(11): 3961-3974 ；
4.HUB技術(shù)：唯一可用于腫瘤藥物發(fā)現(xiàn)的腫瘤類器官平臺(tái)-Crown Bioscience；
5.https://xilis.com/drug-development/
6.https://blog.huborganoids.nl/