科学家正在把你的器官做成芯片
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导语
这是一个毫米级器官如何改变人类医学的故事。
文丨林怡龄
编辑丨刘 聪
你能想象，有一天，从自己身体上取出部分组织，就能在体外培养一个直径可能只有1毫米甚至更小的“迷你器官”，由它来代替你先试验药物有无效果吗？
虽然这个想法多少有些科幻色彩，但现实并不夸张。科学家们已经在加速实现。这不，8月份，赛诺菲一款获批临床的新药，就是由“迷你器官”来替代部分动物实验。
两个月后，FDA新法案的出台，再次把这个打造“迷你器官”的技术推向风口——从讨论会、文章到行研报告，类器官技术迎来了一次集中曝光的机会。
即便在一位不具名的投资人看来，FDA法案出台就自动扯到类器官技术，多少有些“标题党”的嫌疑，但毋庸置疑的是，类器官靠着这一波，的确声量颇大。
不过，它的确值得这样的关注热度。这项起步于上世纪80年代的技术，虽然在过去十年间才迎来快速发展，但它的前景远比我们想象得要广阔——从疾病建模、药物筛选、精准医学到再生医学，都是这个“迷你器官”所能发挥作用的领域。
只是，相比拯救人类的美好愿景，眼下先让小鼠和猴子逃离动物实验，或许来得更为容易。
01
何为类器官？
“类器官”（organoid）一词，最早出现于1980年，彼时有关3D细胞培养的论文就出现了这个词汇的身影。虽然过去十多年里，“类器官”的定义有过演变，但现在，业内都公认类器官是指将干细胞包括多功能干细胞和成体干细胞在体外培养，分裂分化形成类似器官的生物结构。
如果追根溯源，类器官实质是3D细胞培养中的一种，它的出现，是对早期2D培养细胞的迭代革新。
20世纪以来，2D细胞培养一直是多数研究者最广泛使用的方法。这项传统的培养方式，不仅被用在体外研究不同类型的细胞，也用于进行药物筛选和测试。通常，研究者都是提供培养基来喂养这些不断增长的细胞群，使它们在聚酯或玻璃平面上生长。
这种模型的好处在于廉价且易于维护，但2D培养的局限也在于无法实现真正的细胞环境，以此实现细胞间交流或者细胞和细胞外基质的相互作用。这在癌细胞研究中恰好是短板。
为克服这一限制，更好地模拟体内条件，研究者致力于将2D平面的细胞变成立体3D。3D细胞是由单一细胞类型或多细胞混合物产生的细胞聚合物组成。而使用不同的细胞来源进行培养，便会产生两种结果，一是细胞球，另一种则是类器官。
类器官技术火热的这两年，相对鱼龙混杂。一位不具名的投资人透露在看类器官公司标的时，曾看到有些企业混淆“类器官”定义，试图拿着研发3D细胞球的技术“蒙混过关”。
诚然，相较于细胞球，类器官是一个更进阶的技术。二者无论从细胞来源和发育动力等各方面都不尽相同。
最明显的是类器官培养采用的细胞来自人体干细胞，随后分化形成一个3D微型细胞簇。该细胞可以通过内部发育来形成类器官，高度模拟原始器官的结构和功能，如具有相似的空间组织，能够再现原始器官的过滤，排泄，神经链接以及收缩功能等。而细胞球只是通过细胞间粘附来发育，也无法具备模拟原始器官。
图源MBL life science
与此同时，在多次传代过程中，类器官的优势在于具有基因组稳定性，可以体现原组织的基因组组合。细胞球则会在数次传代后逐渐衰老或漂移。
这样的特征，使得类器官和细胞球在应用时也出现了差异——前者可以反复利用，而后者更像是一次性。具体而言，类器官的基因组稳定和自我更新本领，使其可以作为离样的生物样本冷冻保存下来，形成样本库以供重复研究。而这也是日后各家类器官企业竞争力的关键之一。
相反，细胞球很难在冷冻后再被复苏以重复研究，科学家们只能重新去原肿瘤组织中获取细胞。
由于类器官和3D细胞球这两个概念在初次接触时容易混淆，需要企业对类器官底层生物学机制有更深入的了解，因此企业对类器官科学性的了解，便成为投资者关注的重点之一。上述投资人笑谈“这是基础也是门槛，否则一不小心就投错了。”德联资本合伙人姜阳之对此同样谨慎，“团队的科学素养和对生命科学的认知，以及know how积累，都是我们比较关注的。”
类器官的特质，让其可以革新的应用领域更为庞大。眼下应用最为广泛且较为成熟的，便是在动物模型的替代上。
常言道，没有差劲的药物，只有糟糕的临床试验。在药物开发失败的原因中，难以控制的毒性和缺乏临床疗效两个原因，大都与测试模型不足导致的错误有关。
类器官应用之前，研究者试图通过完善模型来解决这一点。以肿瘤研究模型为例，其经过几番迭代。从上世纪美国国家癌症研究所推出的NCI-60——60种癌症细胞系及基于这些细胞系的CDX模型的，到后来的人源性肿瘤组织异种移植（PDX）模型，人类改善研究模型的终极目标，都是在追求无限接近人体。
2017年初，美国国家癌症研究所（NCI）宣布在新药研发领域用PDX模型取代NCI-60细胞系时，意味着2D技术下体外培养原代肿瘤细胞的时代走向了终结。事实上，由于NCI-60细胞系脱离人体较久，亦无法保持肿瘤异质性，即不同肿瘤细胞的不同形态和表型特征，它的落幕已是必然。
取代NCI-60细胞系的PDX模型，解决了这一痛点。它也因此在2014年登上了《科学》杂志封面，风光一时。
从原理来看，PDX模型是将取自患者的小块肿瘤组织植入实验小鼠，从而最大程度保留原代肿瘤的特征。然而，PDX模型并非十全十美。
一是成本较高，PDX模型需要将肿瘤组织移植到免疫缺陷鼠上传代培养，这种免疫缺陷小鼠成本不低，而且容易传代失败，导致总体建模成本非常高。“模型的成本大概在30万元左右。”上述投资人说道。二是耗时较长，一般建模需要3-6个月，不太适用于指导肿瘤患者临床用药。
成本高、建模周期长，导致PDX模型通量很难提高，极大限制了它的应用。上述投资人坦言，中美冠科是PDX模型的全球老大，但市场也相对受限。
细胞系、PDX模型是目前最常用的临床前药物评价模型，常被拿来与类器官进行比较。姜阳之说道，“PDX小鼠模型是个良好的多器官/系统级别的体内模型，但受限于鼠源、非人源，同人体临床试验的预测一致率较低。”
事实上，由于种属差异，实验动物有时候并不能完美复刻人体情况。2014年西非爆发埃博拉感染时，就有人发现一些种类的小鼠对埃博拉病毒有抵抗力，而另一些则没有。
此外，实验动物涉及的伦理和法律问题，在欧美国家反应更甚，以致于其推动类器官技术取代动物实验之心更为迫切。
02
类器官会是“迷你器官”吗？
类器官的出现，可以说汲取了前两者的优势——依旧是细胞培养，成本相对低，终极状态下，还将是人类各个器官的“迷你版”。
它们由不同的干细胞类型分化形成，也由此催生了相对应的研究领域。
脑和心脏的类器官从人体多能干细胞（hPSC）获得，可以用来进行代谢分析和药物筛选，因此研究遗传精神类疾病和发育问题等都主要采用hPSC。
成体干细胞（ASC）的再生和修复能力让它主要应用于组织再生和精准医疗。Hans Clevers的小肠类器官，便是从ASC分化而来。与PSC相比，ASC的培养体系相对简单，它通常来源于患者的活检组织，分化能力十分有限，一般仅含有器官的上皮部分，缺乏基质、神经和血管系统。
诱导性多能干细胞（iPSC）的出现，则打开了人类打造类器官的想象空间。与胚胎干细胞相似，iPSC的再生能力理论上可以分化出成体的所有器官和组织，且运用该技术可以产生基因型与移植受体完全相同的干细胞。此外，它存在的伦理道德争议也相对较小。
2013年，就有研究者利用iPSCs分化形成人类大脑类器官。而源自患者iPSCs的类器官，也可以复现疾病特征，从而实现新药的临床前筛选，在细胞水平层面就可证实其有效性。
不过，在这三类干细胞中，目前人类利用成体干细胞（ASC）培养类器官更为熟练。从小肠类器官开始，世面上几乎所有消化系统的类器官，如胃、胰腺、肝脏、胆囊，以及部分非消化系统的类器官，如前列腺、乳腺、肺等，都来源于ASC。
更有研究者，已经开始探索类器官能否应用到中枢神经系统（CNS），攻坚大脑和神经类疾病。从专利申请也可见一斑。有相关调查指出，阿尔茨海默氏病、帕金森氏病、脑缺血和婴儿自闭症都是脑类器官专利申请的热点。不过，这个“三磅的宇宙”（人类大脑重约3磅），一点都不比浩瀚的宇宙简单。毋庸置疑，这将是更难实现的领域。
同样遥远但人类也在努力实现的，还有类器官承载的移植梦。但它已经是“迷你器官”了吗？或许还不尽然。
正如上文所述，这些由大量细胞集聚而成的类器官，虽然可以在很多方面模拟真实器官的内部结构，但一些与真实器官功能和发育相关的特性还是无法拥有。就像成体干细胞（ASC）培养出来的类器官，都会缺少神经和血管。而这恰恰是人体器官生长发育获取能量的重要结构。
因此，眼前的类器官，暂时还只是真实器官的低配版。
03
不过，即便是低配版，也不是想造就能造的，尤其是大规模量产，眼下就很难实现。
过去两年，屡获资本青睐的类器官公司，虽然大都宣称有在布局自动化，但到目前为止，它们大都还是依靠人力在培养类器官。国内的类器官公司几乎都还没有到规模量产的阶段。
一个是因为国内类器官产业刚刚起步，订单量并不大。“大家都还在摸索，一般都是十几例几十例，依靠人工尚可以实现。”上述投资人说。但弊端也在于，人工培养往往会有误差。在实验室里，每个人培养细胞的状态通常并不一样，这也是培养领域的难点。“真正去做的时候就会发现，你的吹打力度各个方面都会影响到细胞状态。”
而一旦起量，再靠人工也不现实。因此，类器官技术要真正实现规模化和产业化，自动化必不可少。不过，横亘在自动化之前，类器官培养还要解决标准化和稳定性的问题。毕竟，有了标准和足够稳定，才好批量复制出符合要求的产品。在投资者看来，这些都将是类器官公司的关键竞争力。
国内另一家类器官公司丹望医疗，其创始人华国强正在参与类器官标准的起草。在一场直播中，他指出评价类器官模型的好坏需要结合应用场景——临床药物预测场景下，最重要的评价指标与体内样本的相似度及临床疗效符合度；而在药物筛选方面，则考验模型的有效性和稳定性，这就需要在制备和培养环节制定标准和参数。
大橡科技创始人周宇在这场直播中同样指出，器官芯片标准化一个非常重要的关键点在于模型功能的标准化，好比肝的类器官需要定义代谢指标等。
由于行业标准尚未出台，类器官的下游客户，以药企为例，虽然抱着好奇的心态，但生意场上无小事，它们的内心都自有一杆秤。
“今年全球首个完全基于类器官数据的新药获批进入了临床阶段，随后FDA又修订了法案，极大促进了类器官技术发展。”姜阳之如此说道，“尤其是法案出台后，很多药企都来了解和咨询。”但无一例外，药企最关心的都是类器官的稳定性、一致性、标准化，以及类器官库的丰富程度。
“药企需要的不仅仅是把类器官培养出来，他们更看重类器官样本中携带的临床信息和各种组学信息，以及类器官传代培养后的稳定性。”上述投资人说道，“在标准化程度足够高以及足够多数据支撑下，药企还是很愿意跟类器官公司合作和共同摸索。”
而原本在上述投资人想来不难实现的自动化，也同样艰难。“国内专注自动化的企业非常多，之前想着把细胞培养各个流程通过自动化仪器实现，但门槛还是要比想象中的高很多”上述投资人感慨。
摆在类器官培养上的难题还有两个。
先是原料。要想培养一个类器官，所需要的材料包括基质、维持类器官生态所需因子，还有类器官培养所离不开的诱导细胞分化的细胞因子。而这些细胞外基质组成的不确定性，会严重影响类器官的培养。
其中，让细胞培养从原来的2D变成3D的关键，细胞培养基质（或支架）是关键的原料。其主要的类型包括来自天然材料的水凝胶支架，如细胞外基质胶原蛋白等。
目前，类器官常用的基质为美国BD Bioscience的产品Matrigel®，它是从小鼠肿瘤中提取出的基底膜基质，存在价格较高，行业垄断等问题。不过姜阳之对此是较为乐观的。他认为国内类器官产业正在蓬勃发展，上游的国产替代也是势在必行。
另一个则是专利。作为类器官领域的鼻祖，Hans Clevers隶属于研究机构KNAW，这家机构在类器官方面的专利拥有157项扩展家族专利，且都是基本专利之一，受到全球20多个国家的保护。美国儿童医院医疗中心也在世界上十多个国家和地区实施了全球专利布局。
在类器官尚处于早期研发阶段时，专利并不会构成问题。但随着类器官产业发展，尤其是产业转化时，如何合规，就值得业界去关注。
04
崛起前路依旧有无限挑战
如今，类器官产业来到产业爆发阶段，前景似乎美好得令人向往。但诚如前文所述，类器官技术要想满足下游应用的期待，仍有不少研发和产业化的挑战需要攻坚。
除去大多数类器官缺少神经和血管，易随着类器官体积增长出现缺氧和代谢废物增加，从而导致组织坏死此类问题，如何精确控制微环境条件包括在肿瘤类器官研究中，肿瘤微环境的构建，也是类器官技术还需攻坚的问题。
“毕竟体内和体外不太一样，肿瘤微环境的构造也是我们当初重点考量的。”上述投资人坦言。
正所谓关关难过关关过。
目前，海内外科学家开始采用一些尖端技术，例如器官芯片、微流控装置、CRISPR-Cas9、高通量筛选等来分析和改造类器官，使其无限接近人体器官。
器官芯片和类器官技术结合的类器官芯片，是目前研发的前沿，也是多数企业布局的领域。类器官芯片，即在一种多通道3D微流控芯片上培养分化人体干细胞成类器官，说白了就是在芯片上打造器官。
之所以将两者结合，好处在于可以精确控制微环境。原先，因为类器官培养需要在特定时间添加生长因子等培养材料，而加多加少都会影响到微环境，且不易控制，类器官芯片则很好地解决了这个问题。
而在肿瘤微环境构建中，通过微流控装置和数学计算模型，研究者可以在芯片上就模拟出肿瘤微环境的空间组织，从而研究肿瘤与间质的相互作用。操作过程中，研究者不仅可以适时调节癌细胞的营养供应，还可在最快3天里就生成可用于药物筛选的肿瘤类器官模型。
CRISPR-Cas9技术应用到类器官，则丰富了取样途径。研究者可以从正常类器官中取样随后通过基因编辑获得，而不再是只能从不同发育阶段的肿瘤组织中获得。与此同时，通过该技术，还可以顺便研究是哪些基因或者哪些基因组合参与了肿瘤形成和发展。
有科学家就通过CRISPR-Cas9技术，成功将正常脑类器官转化为肿瘤脑类器官，由此记录了脑肿瘤的发生。
虽然短期内，类器官只是动物实验的补充，但在业界眼中，替代必将是未来的趋势。而从最初类器官研究的重点是培养健康细胞，长期目标是应用于细胞治疗和再生医学，现在业内的注意力已经转移到药物研发和药物筛选，走向了个性化治疗。
只是，技术要想真正落地，还需跨越到产业化，对于新技术而言，这并非易事。眼下，领头公司都在自动化方向上探索，包括采用与微流控技术结合等手段。事实上，一家公司如何去实现类器官产业化，是不少投资者考量的因素之一。
姜阳之表示：“产业发展需要多方配合，随着大家慢慢摸索出行业标准，加上底层技术平台、自动化方案等日益成熟，类器官技术将会迎来下一个爆发。”
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