导读

1. 除了应用于药物研发之外，干细胞另一个新兴的应用领域“类器官”也在近10年快速发展。

2. 类器官的突破性发展背后，Hans Clevers是关键性人物。

3. Hans Clevers不仅在科研上取得突破，他还很快参与孵化出了第一批类器官企业，例如HUB和Xilis。

4. 虽然师出同门，但是HUB和Xilis却走上了不同的发展道路。

5. 因为在体外疾病建模、药物发现和开发、伴随诊断、个性化医疗等领域的广阔前景，国内外已经有数家企业正在积极布局类器官这一前沿领域。

6. 本文你将了解类器官发展的前世今生。

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类器官研究鼻祖

科研实业两不误

早在20世纪80年代，“organoid（类器官）”一词就已被提出。   类器官是一种三维(three-dimensional, 3D)细胞培养产物, 是将干细胞接种于基质胶或基底膜提取物中, 在特定细胞因子混合物的作用下经过培养获得的具有器官特异性的产物。类器官往往包含器官特异性的多种类型的细胞，并且能够在体外重现部分器官功能。   

但是直到2009年，Hans Clevers领导的科学团队才成功将来自小鼠肠道的Lgr5（+）肠道成体干细胞接种于基质胶中，并在培养基中添加Wnt通路激动剂R-spondin、TGF-β抑制剂Noggin、表皮生长因子等干细胞必要生长因子，培养出了具有隐窝样和绒毛样上皮区域的三维结构，该结构就是小肠类器官( small-intestinal organoids)。   

该类器官包含大多数终末分化细胞类型，可最大程度的模拟肠道上皮生理情况。这个培养方案也成为其他类器官培养的起点，后来该实验室又在此基础上加入了烟酰胺、Alk抑制剂A83-01、前列腺素E2和p38抑制剂SB202190，实现了人结直肠肿瘤类器官的培养。   

目前报道的各种类器官培养基均是在上述方案上增减不同的因子形成的，培养条件仍在不断探索和改进过程中，以达到提高成功率的目的。    

经过十余年的发展, 科学家们现已建立了胃肠道、食管、肝脏、胰腺、脑、肺、前列腺、乳腺、皮肤、肾脏、心脏、味蕾、唾液腺、角膜等多种类器官模型。   

该项突破性的成果也得到了广泛的认可：2013年，类器官被《Science》评为年度十大科学技术，Hans Clevers也因类器官领域的开创性研究获得了2013年科学突破奖（Breakthrough Prize）；2017年，类器官被《Nature Medthods》评为“生命科学领域年度技术”；2019年，《NEJM》指出，类器官将作为一种革命性的人类疾病临床前模型，广泛应用于肿瘤研究、精准医疗和新药开发。   这些突破的背后，Hans Clevers是关键性人物。这位干细胞与癌症生物领域的大师级科学家，在2014年当选为美国国家科学院院士，并于2019年获得“引文桂冠奖”生理学或医学领域奖项。   早年间，Hans Clevers还曾是荷兰乌得勒支大学免疫学教授以及该校分子遗传学方面的教授；2002至2012年，Hans Clevers主管荷兰Hubrecht研究所。Hubrecht是一个享誉全球的研究所，隶属于荷兰皇家艺术与科学院，主要的研究方向集中在发育和干细胞生物学。   

正是在Hubrecht科研期间，Hans Clevers等人开创了类器官研究的时代，Hans Clevers团队可以说是凭“一己之力”在类器官萌芽初期，撑起了行业的发展。   基于上述研究成果，2013年Hans Clevers开启了自己的科研转化之路，参与创办了HUB和Xilis。

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最早的类器官研发中心

催生出第一批类器官企业

2013年，Hans Clevers参与创办了类器官技术孵化公司HUB，这也是全球类器官最早的研发中心。HUB是一家由Hubrecht研究所、荷兰皇家艺术与科学院、KNAW和乌得勒支大学医学中心创建的非盈利公司，专门运营Hans Clevers博士的开拓性成果——类器官技术。   

HUB的技术授权直接促进了Epistem、Cellesce、Crown Biosciences、STEMCELL Technologies在内的第一批类器官公司的涌现。   

HUB的类器官技术具有“在实验室中体外模拟患者病灶”的作用，可以更好、更准确地预测和模拟肿瘤异质性和患者的用药反应，并对其进行测试以评估不同的治疗方案，这为学术界、临床医疗和制药/生物技术行业提供了广阔的前景。   HUB还针对一系列器官和疾病类型进行了开发、优化和标准化，以开发患者来源的类器官生物库，这些生物库可在长期培养中保持稳定状态，以便于直接应用于后续的相关研究。基于独有的IP保护技术，HUB类器官可直接将患者上皮组织中的成体干细胞（ASC）在体外复制和分化，从而产生功能性的“培养皿中的迷你器官”。   

这是一个重要的区别，它将HUB类器官与其他患者衍生的3D体外系统或使用多能干细胞（iPSC）或胚胎干细胞（ESC）的其他类器官技术区分开来。   

与PSC源性类器官不同，ASC源性类器官有两个来源：健康组织、肿瘤患者组织。PSC源性类器官通常通过胚胎干细胞或诱导iPSC获取。ASC源性类器官是由组织特异性干细胞群发育而来。ASC的发育受到生长因子的支持，后者的存在确保了ASC自我更新并分化成各类下游细胞。这种ASC流程因Clevers实验室的一系列重大发现而逐渐应用于产业端。   HUB对该流程进行了拓展和优化，并利用健康组织和患病组织开发出三维类器官。基于ASC源性的类器官，不需要干细胞的重编程或转化。因此HUB能够开发出更稳健的可再生类器官模型，可连续数代保留原始器官遗传学和基因表达特征，包括临床相关的突变。   目前，HUB已开发出各类肿瘤的肿瘤类器官。这些类器官基于肿瘤患者材料进行开发，可用于建立肿瘤（和匹配的健康）类器官的生物样本库，据此获取肿瘤患者人群中的表型和遗传异质性。   具体而言，HUB类器官技术具有以下特性： 

▲ HUB类器官技术的特性，图源Hubrecht Organoid Technology官网 

基于上述特性，HUB类器官可应用于以下领域：体外疾病建模，药物发现和开发，Dish临床试验（CTiD）；伴随诊断，安全性和毒性：个性化医疗。   

HUB类器官基于上述特性和应用，主要在生物样本库、模型和检测开发服务、临床前药物开发服务，设有三个服务板块。 

▲ 临床前药物开发服务，图源Hubrecht Organoid Technology官网

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一笔融资7000万美元

多家知名投资机构青睐

除了类器官鼻祖Hans Clevers创办的类器官技术孵化鼻祖HUB外，2019年，Hans Clevers作为联合创始人，与Xiling Shen博士、David Hsu博士一起创办了类器官研究公司Xilis。   

Xilis总部位于北卡罗来纳州达勒姆，专注于开发精准的肿瘤学平台，以指导肿瘤学家进行治疗决策，预测最有效的疗法，加快制药公司的药物发现和开发效率。   三位联合创始人在生物医学、肿瘤学和干细胞领域均有数十年的研究经验。其中，Shen博士和Hsu博士均出自杜克大学。   Hsu博士是肿瘤内科医生出身，目前是杜克大学医学中心医学副教授，专注于胃肠道恶性肿瘤和结直肠癌领域的研究。其实验室专注于使用癌症的患者模型，以及高通量基因组和蛋白质组学技术，以此开发癌症的新疗法和诊断方法。   Shen博士曾是康奈尔大学和杜克大学担任设计工程师和教职员工，拥有13年的产业和科研经验。其工作重点是结合工程、计算、生物学技术来研究癌症和精准医学的患者模型。   

两位博士合作开发了Xilis的核心技术——MicroOrganoSphere（MOS）技术，通过扩大其AI驱动的能力，为癌症患者提供个体化的精准治疗策略，并加速药物发现和开发。   Xilis专有的MOS技术平台使用来自癌症患者的组织样本重建其肿瘤的微小模型，可保留原始组织样本独特的组织结构、遗传改变、基因表达、免疫微环境和组织病理学等特性。MOS技术克服了包括异种移植和类器官在内多种肿瘤模型的主要局限性，在小规模模型中具有快速性、可扩展性和预测性。   Hans Clevers对此表示：“自从我的实验室在十几年前发明了类器官以来，我们为许多应用提供了概念验证，但相关的技术进展仍然缓慢，模型的建立也复杂且昂贵。Shen博士和Hsu博士发明的MOS技术消除了这些障碍，加速了其在临床和药物发现和开发中的使用进程。”   

MOS技术平台具有三大特性：   第一，高效、可扩展、一致。 

▲ 微型封装系统，图源：Xilis官网 

图说：Xilis的专有硬件是一种适应性强的微型封装系统，用于操作和研究复杂的生物学相关的3D组织模型。通过结合微流体、细胞外基质、机器人技术、实验方案、检测和专业知识，MOS技术可提供一种快速、自动化、可扩展和可重复的解决方案，适合于转化研究的发展。   

第二，捕获患者整个肿瘤：MOS技术概括了患者原代组织的复杂性和多样性。MOS可维持与原发组织样本中发现的相同的异质性肿瘤微环境，准确地代表了患者的完整疾病状态，是一种适用于测量细胞活力和药物反应的预测性肿瘤模型。   第三，高再现性。 

▲ 高再现性，图源Xilis官网 

图说：MOS技术克服了用于评估药物反应的传统类器官技术的可重复性问题。如下图所示，MOS技术可以生成可重复的数据，通过自动化程序减少实验室人员的动手时间，从而实现更好的一致性、准确性和效率。 基于上述特性，Xilis目前布局有三大应用领域：机器学习工具，精准肿瘤学和药物开发。   

在免疫肿瘤药物开发方面，Xilis的平台为药物开发人员提供了一种评估免疫肿瘤学候选药物的创新技术。由于每个MOS都能捕获患者肿瘤的全部微环境和细胞异质性，因此Xilis的高通量平台可用于研究单一药物或联合疗法如何诱导免疫系统反应，及其杀死肿瘤细胞的能力。制药公司可使用Xilis的平台来研究免疫治疗候选药物（例如检查点抑制剂，CAR-T，TILs），以确保药物安全有效，提高临床试验成功率。   

与传统的患者衍生模型产生的结果相比，MOS可提供更快、更高的吞吐量和更低的成本，以及更具预测性和准确性的结果。MOS还可用于大规模药物基因组学研究。 

▲ 药物开发服务，图源Xilis官网 

图说：Xilis 的MOS技术使药物开发人员能够扩展和简化临床前和临床开发的所有阶段，从而使药企更有效地利用资源。Xilis已经能够实现全新类别药物（如免疫肿瘤学）的离体建模。   

当然，这些技术和优势很快迎来了资本的关注。   

2021年7月，Xilis完成了高达7000万美元的A轮融资，获得了包括Mubadala Capital、GV、Alix Ventures、Duke Angel Network、KdT Ventures、Felicis Ventures、Life Science Partners、Catalio Capital Management、Two Sigma Ventures、Pear Ventures等知名投资机构的青睐。

04

技术孵化中心与“专精特”企业同步发展

可以看出，HUB跟Xilis在新药研发与精准治疗领域都有相关的布局。两家企业的联系也十分明显：“师出同门”，有类器官技术鼻祖Hans Clevers的光环加持。   但是，两者的不同也由此衍生。首先，HUB是一个类器官技术孵化中心，基于它衍生了许多的类器官企业。Xilis目前的核心技术也是在此基础上的衍生与优化。通过Hsu博士和shen博士发明的MOS技术，简化了类器官应用的复杂程度，降低了类器官研究的昂贵成本。   此外，HUB的技术更为宽泛，体外疾病建模、药物发现和开发、伴随诊断、个性化医疗等领域均有布局。而Xilis更加“专精特”，更集中于开发精准的肿瘤学平台，并衍生出了相关的预测方法、机器学习工具等，以指导肿瘤学家快速进行治疗决策，加快制药公司的药物发现和开发效率。   

类器官模型为科学研究与临床应用带来新生机的同时，其从科研端转化到市场端也有一些壁垒需要突破： 首先，类器官构建花费高、构建难度较大，尤其是癌症类器官中会掺杂正常类器官，造成癌症类器官纯度降低，这些问题限制了类器官的普及。   

其次, 类器官目前并没有一个标准化的培养模式，这些都会导致实验结果之间的差异与不稳定。再而, 类器官的无法完全复制人体器官，只能称为简单的器官模型。最后，类器官的培养条件还尚需优化，例如基质胶成分不确定，以此培养类器官用于再生医学等领域会存在潜在感染等风险。   

整体而言，其保真性、稳定性以及如何精确控制微环境条件等仍然是类器官技术目前需要攻克的问题。   

目前，国内外学者聚焦于协同其他尖端技术 (器官芯片、微移动阵列、scRNA-seq、CRISPR-Cas9、高通量筛选等) 分析和改造类器官，精细优化和标准化类器官培养系统中每一个实验步骤 (培养基成分、细胞类型、数量、试剂添加顺序等)，攻克细胞外微环境、血管、神经网络、成熟度等难题，旨在提高类器官的稳定性、保真性、重现性、可扩展性。   面对这一神奇的新兴技术，除了上述提及的企业外，国外布局该领域的还有Nortis、CN Bio、TissUse、Mimetas、Tara Biosystems、Emulate、Hesperos、Prellis、 System1、NextVivo等公司。   

据不完全统计，我国目前也有大橡科技、科途医学、创芯国际、捷诺飞、子瞻生物、丹望医疗、万何圆生物、赛箔生物等相关企业在积极布局类器官领域。

*封面来源：123rf

*参考文献：

1.何询、张鹏、张俊祥，类器官的构建与应用进展，《中国生物工程杂志》，2020，40( 12): 82-87；

2.李潇萌、管若羽、高建军、华国强，类器官在再生医学中的应用《中国细胞生物学学报》，2021, 43(6): 1120–1131；

3.俞东红、曹华、王心睿，类器官的研究进展及应用，《生物工程学报》，Nov. 25, 2021, 37(11): 3961-3974 ；

4.HUB技术：唯一可用于肿瘤药物发现的肿瘤类器官平台-Crown Bioscience；

5.https://xilis.com/drug-development/

6.https://blog.huborganoids.nl/