干细胞诱导生成类器官行业研究报告

干细胞研究已经成为了生物学研究的一个重要分支，而研究干细胞的目的之一是帮助我们更好地理解生命发生的各个维度。细胞和细胞之间通过间质连接在一起形成细胞团，由于细胞内基因的差异化表达，进而形成了各类器官和组织。  

长期以来，科学家们都利用动物模型来进行疾病研究和药物开发。而随着干细胞技术的发展，科学家们可以利用新的培养方法，将多能干细胞或/和成体干细胞诱导产生一些类似于体内组织或者器官的三维结构——于是，类器官诞生了。  

1  科普与市场规模

类器官(Organoids)指利用成体干细胞或多能干细胞进行体外三维（3D）培养而形成的具有一定空间结构的组织类似物。尽管类器官并不是真正意义上的人体器官，但能在结构和功能上模拟真实器官，能够最大程度地模拟体内组织结构及功能并能够长期稳定传代培养（因此也被称为“微型器官”）。

过去十年中，类器官的发展被誉为是干细胞研究中最令人振奋的进展之一。早在 20 世纪 80 年代，“organoid”一词就已经提出，但直到 2009 年， 2009年，荷兰科学家Hans Clevers团队成功将Lgr5+肠道干细胞在体外培养成具有隐窝状和绒毛状上皮区域的三维结构，也就是小肠类器官（small-intestinal organoids），使得类器官的研究翻开了快速发展的新篇章[Nature. 459, 7244: 262–265]。

图1  类器官发展历程

2013年，类器官被Science 评为年度十大技术。2018年初，类器官被Nature Method 评为2017年度最佳方法。目前，多种脏器类器官已被成功构建，其中包括小肠、胃、结肠、肺、膀胱、大脑、肝脏、胰腺、肾脏、卵巢、食道、心脏等，不仅包括正常器官组织类器官，还有相应肿瘤组织类器官。

图2  不同种类类器官形貌图. (a）小肠类器官形貌图.（b） 结肠类器官形貌图.（c）食管类器官形貌图.（d）胃类器官形貌图.（e） 肝脏类器官形貌图.（f）胰腺类器官形貌图.（g）肺类器官形貌图.（h）乳腺类器官形貌图.（i）肾类器官形貌图.（j）脑类器官形貌图

近几年，从PubMed公开发表文献中搜索“Organoids”，涉及类器官技术的文献数量呈现直线上升，其中不乏多篇CNS等各大顶级期刊文献。中国发表的类器官文献数量在全球的排名从第六位(2009-2019年)跃至第二位(2020年)，仅次于美国。中国科研积累的提升将加速类器官产业化的进程。

图3  类器官文献发表数量

类器官可以从成体干细胞(ASCs)、多能干细胞(PSCs)(即胚胎干细胞，ESCs)、诱导多能干细胞(iPSCs)中衍生。类器官培养系统主要包括基质胶、维持类器官生态所需因子和分化所需因子这几个主要元素。基质胶中含有胶原、巢蛋白和纤连蛋白等等，为类器官形成三维空间结构提供基质。维持类器官生态因子主要目的为促进细胞的增殖和抑制细胞凋亡等。常用的基质胶为美国BD Biosciences公司的Matrigel^®，在行业内处于较为垄断的地位，价格较高。Matrigel可以产生类似于哺乳动物细胞基底膜的生物活性基质材料，帮助多种类型的细胞达到附着和分化。

图4  获得类器官的方法

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

类器官技术作为一种工具，在基础研究和临床诊疗研究中拥有广阔的应用前景，包括发育生物学、疾病病理学、细胞生物学、精准医学以及药物毒性和疗效测试。这项技术也为再生医学提供了巨大的潜力，通过用类器官培养物替换受损或患病的组织，为自体或异体细胞治疗提供了可能性。

将类器官技术应用于临床，指导临床用药和精准治疗是近期类器官技术的主要发展方向。事实上，自2016年起，类器官技术已被纳入临床试验中，截止到2020年9月，已有63项临床试验于FDA官方备案。中国国内2017年起注册且获伦理委员会批准的类器官临床试验研究有20项，涵盖8个癌种，主要关注化疗方法的疗效预测，但已有研究开始关注免疫疗法在类器官中的应用(长海医院，PD-1)。从癌种分布看，目前国内研究癌种多为消化系统肿瘤、胰腺肿瘤、乳腺肿瘤。

图5  2017以来开展了≥3个类器官临床试验项目的癌种

相关报道称，2019年北美类器官市场达到2.9139亿美元，预计将在2027年达到14.0647亿美元，将以21.7％的复合年增长率增长。世界卫生组织国际癌症研究机构(IARC)显示，2020年全球新发癌症病例1929万例，中国新发癌症病例457万例；2020年全球癌症死亡病例996万例，中国癌症死亡病例300万例。预估国内类器官市场将达百亿以上，随着新的药物管线的不断涌现，临床和患者对个体化治疗的需求日益增进，市场空间将持续增长。

2  类器官与其他模型的比较

目前，最常见的模型是细胞系、酵母、秀丽隐杆线虫、黑腹果蝇、普通小鼠、斑马鱼、异种移植模型 (Patient-derived xenograft, PDX) 等，已被广泛用于研究细胞信号通路、识别潜在的药物靶点、开发新药等方面，但也暴露出许多局限性。

（1）2D (Two-dimensional) 细胞系虽操作简便，但通常只包含单一细胞类型，诸如肿瘤细胞系，缺乏原始肿瘤的异质性并且在体外培养中基因组不稳定。

（2）小鼠模型是大部分实验室最常用的研究模型，但它和人类特有的生物现象存在固有差异，如大脑发育、新陈代谢和药物疗效等。

（3）非人灵长类 (Non-human primate，NHP) 虽然在系统进化树上和人类最接近，具有高度相似的免疫系统、大脑结构和认知功能，但是价格昂贵，同时存在伦理限制、成像观察的局限性、不可控的复杂变量、难以进行药物高通量筛选等缺陷，限制其广泛应用。

因此，根据“3R”原则 (Reduce，Reuse，Recycle) 和物种保护原则，需要探索能够缩小与人体差异又兼具稳定、易操作、可广泛应用的模型替代系统，来研究遗传多样性、疾病发病机制和预测药物反应。

临床试验数据证实，直肠癌类器官（RCO）可以准确概括相应肿瘤的病理生理和遗传变化。患者的化学放射反应与RCO反应高度匹配，准确度为84.43％，敏感性为78.01％，特异性为91.97％。这些数据表明，PDO (Patient-Derived Organoids, 人源肿瘤类器官模型) 在临床上可预测LARC患者的反应，并可能成为直肠癌治疗中的辅助诊断工具。

图6  类器官模型与2D细胞系、小鼠模型、非人灵长类模型的比较

如上图所示，根据类器官模型的特点，与传统模型互补应用而非取代，将为人类生物学研究开辟新的途径。

与传统模型相比，类器官具有以下特性：