類器官（Organoid）是在體外用3D培養(yǎng)技術(shù)對干細胞或器官祖細胞進行誘導(dǎo)分化形成，在結(jié)構(gòu)和功能上都類似目標(biāo)器官或組織的三維細胞復(fù)合體。新藥研發(fā)需要進行漫長的動物試驗和臨床試驗，將創(chuàng)新研究應(yīng)用于臨床治療是新藥上市之路的一大瓶頸。這背后的原因之一在于我們使用的癌癥模型往往不能很好地復(fù)制腫瘤的組織復(fù)雜性與遺傳異質(zhì)性。這解釋為何在癌癥模型中取得突破的新藥分子，最終會在臨床試驗里折戟沉沙。

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一、類器官培養(yǎng)技術(shù)在糖尿病領(lǐng)域取得重大進展

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細胞療法被認為是傳統(tǒng)糖尿病治療的潛在療法。胰島細胞和整個胰腺移植可通過外源補充胰島β細胞來恢復(fù)葡萄糖穩(wěn)態(tài)，但是胰腺供體有限。迄今為止，很難通過體外培養(yǎng)從胚胎或成年胰腺中合成新的胰島β細胞。在三維（3D）條件下培養(yǎng)的小鼠胚胎胰腺祖細胞能實現(xiàn)分化，但不能長期擴增。

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如何打破供體的局限，獲得可用于移植的功能性胰島β細胞，一直是糖尿病治療領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)。2020年4月7日，來自國內(nèi)細胞生物學(xué)重點實驗室的團隊通過對成年小鼠胰島進行高通量的單細胞轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)現(xiàn)有一群以表達表面蛋白C受體為標(biāo)志的新細胞類型（Procr+細胞），這群細胞可以擴增培養(yǎng)，并產(chǎn)生各種有內(nèi)分泌功能的胰島細胞，包括胰島β細胞。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Cell》期刊雜志上。這種“人工胰島”，不僅在細胞組成和分子特征上與真正的小鼠胰島十分相似，并且可以快速響應(yīng)葡萄糖的刺激、分泌胰島素。它們可以在體外培養(yǎng)20代以上，細胞數(shù)量保持指數(shù)增長。當(dāng)把這些體外培養(yǎng)的胰島類器官移植到糖尿病小鼠體內(nèi)后，小鼠的血糖水平成功恢復(fù)正常。

體外成功培養(yǎng)德胰島類器官? ?

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二、類器官還提供了一種新的疾病動物研究模型

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傳統(tǒng)的抗腫瘤藥物研究為CDX模型（cell-line-derived xenograft）將腫瘤細胞系接種在免疫缺陷小鼠皮下。由于細胞系并不能很好地還原人體內(nèi)腫瘤組織的異質(zhì)性，而且經(jīng)過了幾十次傳代培養(yǎng)，外界環(huán)境對腫瘤細胞進行了“篩選”，腫瘤細胞失去原有的生物學(xué)特性。從而使得藥效評價結(jié)果與臨床相似度較低，臨床相關(guān)性僅5%左右。此外，CDX模型還存在供體來源不足的問題。

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PDX(Patient-Derived tumor Xenograft,PDX)模型是目前最為接近臨床樣本的腫瘤模型。通過將病人來源的新鮮腫瘤組織移植到免疫缺陷小鼠體內(nèi)，可保留原代腫瘤微環(huán)境和組織病理學(xué)及遺傳學(xué)特征。實體瘤組織通過手術(shù)和活檢收集，還有部分研究使用從惡性腹水或胸膜積液。腫瘤可以組織塊或單細胞懸液的形式植入，或者與基質(zhì)凝膠、人成纖維細胞、間充質(zhì)干細胞組合形式植入。移植的著床部位可為小鼠背部、原發(fā)腫瘤的同一器官或者腎臟。

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雖然PDX模型可以一定程度上模擬出人體腫瘤微環(huán)境，卻存在移植成功率較低且模型不穩(wěn)定的問題。如何能夠模擬腫瘤細胞與環(huán)境中其他成分（成纖維細胞、脂肪細胞）的相互作用，幫助研發(fā)人員理解腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移以及對藥物處理的反應(yīng)至關(guān)重要。

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類器官一類由干細胞，包括多能干細胞（pluipotent stem cell，PSC）和成體干細胞（adult stem cell， ASC）自我組裝的微觀三維結(jié)構(gòu)。因其與對應(yīng)的器官擁有類似的空間組織、保持一些關(guān)鍵特性并能夠重現(xiàn)部分生理功能，而被認為是檢測人類生物學(xué)和疾病方面的新模型。

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由于類器官培養(yǎng)體系簡單易操作，時間和金錢成本較低，且具有較高效率，因而得到廣大研究人員的親賴，被Nature Methods評為2017年生命科學(xué)領(lǐng)域年度技術(shù)。2019年6月《Science》期刊發(fā)表了以類器官研究為主題的特刊報道。4篇綜述詳細闡述了類器官作為人體疾病模型的巨大潛力。研究者認為最大的挑戰(zhàn)來源于找到高質(zhì)量、純凈的生物學(xué)材料—干細胞，其次是構(gòu)建合適的微環(huán)境，模擬目標(biāo)細胞與成纖維細胞﹑免疫細胞的互動。

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美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）在對美國一流醫(yī)學(xué)中心（如美國哈佛醫(yī)學(xué)院癌癥中心、芝加哥大學(xué)癌癥中心、安德森癌癥中心）進行資質(zhì)復(fù)審驗收時，是否具備開展類器官培養(yǎng)的條件和能力，成為考核總體實力的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。目前，美國國家癌癥研究所（NCI）、英國癌癥研究中心（Cancer Research UK）、人類癌癥模型計劃（HCMI）等權(quán)威機構(gòu)正在聯(lián)合構(gòu)建一個全球性的包括類器官在內(nèi)的惡性腫瘤模型庫。

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國內(nèi)方面，復(fù)旦大學(xué)遺傳工程國家重點實驗室類器官研究中心擁有GMP屏障400平方米，配備高通量類器官培養(yǎng)及表型分析設(shè)備，并積累了國際領(lǐng)先的技術(shù)實力。通過與復(fù)旦大學(xué)附屬醫(yī)院合作，已建立腸、肝、肺、子宮內(nèi)膜等正常組織類器官和腫瘤類器官種質(zhì)資源庫。

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三、3D細胞培養(yǎng)和高通量藥物篩選市場現(xiàn)狀

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類器官研究涉及的3D細胞培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)、3D細胞高通量藥物篩選技術(shù)實現(xiàn)了很快的發(fā)展。據(jù)Meticulous Research Analysis的相關(guān)數(shù)據(jù)，2016年，3D細胞培養(yǎng)技術(shù)在全球細胞分析檢測市場占據(jù)了約9.3%的份額。2017年市場價值8.181億美元，在預(yù)計期內(nèi)將以8.7%的年復(fù)合增長率增長，2022年達到12.426億美元。

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美國在全球3D細胞市場貢獻了約34.8%的主要份額，中國在全球3D細胞市場占5%的份額，遠不及美國，但預(yù)計未來五年中國將以11.8%的年復(fù)合增長率增長，成為年復(fù)合增長率最高的國家，具備市場發(fā)展?jié)摿Α?/span>

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3D細胞高通量篩選(High throughput screening，HTS)技術(shù)是以微板形式作為實驗工具載體，以自動化操作系統(tǒng)執(zhí)行試驗過程，以靈敏快速的檢測儀器采集實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，以計算機分析處理實驗數(shù)據(jù)，在同一時間檢測數(shù)以千萬的樣品，并以相應(yīng)數(shù)據(jù)庫支持運轉(zhuǎn)的技術(shù)體系，它具有微量、快速、靈敏和準(zhǔn)確等特點。國內(nèi)主要的研發(fā)企業(yè)以CRO公司如輝源生物，美迪西生物等為主。輝源生物是一家以提供微孔板技術(shù)為基礎(chǔ)的藥理研發(fā)服務(wù)的領(lǐng)軍企業(yè)，2017年1月被國內(nèi)最大的CRO公司藥明康德收購。

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一種抗病毒藥物的3D細胞HTS流程??? ? ?

結(jié)語

盡管目前有關(guān)類器官的研究很多，優(yōu)勢明確，但大多數(shù)均停留在基礎(chǔ)研究及實驗室階段。究其原因，除了該培養(yǎng)技術(shù)費時費力、要求較高外，培養(yǎng)所用的特殊基質(zhì)及生長因子的價格昂貴，也是制約其臨床應(yīng)用的重要因素，不久的將來更加廉價、易備的培養(yǎng)材料和更優(yōu)化的培養(yǎng)方式將利于類器官培養(yǎng)模型更快、更廣泛地用于臨床轉(zhuǎn)化中，盡早惠及更多的患者。