類器官（Organoid）是在體外用3D培養技術對干細胞或器官祖細胞進行誘導分化形成，在結構和功能上都類似目標器官或組織的三維細胞復合體。新藥研發需要進行漫長的動物試驗和臨床試驗，將創新研究應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制腫瘤的組織復雜性與遺傳異質性。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、類器官培養技術在糖尿病領域取得重大進展

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細胞療法被認為是傳統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細胞來恢復葡萄糖穩態，但是胰腺供體有限。迄今為止，很難通過體外培養從胚胎或成年胰腺中合成新的胰島β細胞。在三維（3D）條件下培養的小鼠胚胎胰腺祖細胞能實現分化，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域的巨大挑戰。2020年4月7日，來自國內細胞生物學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錄組測序，發現有一群以表達表面蛋白C受體為標志的新細胞類型（Procr+細胞），這群細胞可以擴增培養，并產生各種有內分泌功能的胰島細胞，包括胰島β細胞。相關研究成果發表在《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，并且可以快速響應葡萄糖的刺激、分泌胰島素。它們可以在體外培養20代以上，細胞數量保持指數增長。當把這些體外培養的胰島類器官移植到糖尿病小鼠體內后，小鼠的血糖水平成功恢復正常。

體外成功培養德胰島類器官? ?

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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腫瘤組織的異質性，而且經過了幾十次傳代培養，外界環境對腫瘤細胞進行了“篩選”，腫瘤細胞失去原有的生物學特性。從而使得藥效評價結果與臨床相似度較低，臨床相關性僅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，可保留原代腫瘤微環境和組織病理學及遺傳學特征。實體瘤組織通過手術和活檢收集，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，或者與基質凝膠、人成纖維細胞、間充質干細胞組合形式植入。移植的著床部位可為小鼠背部、原發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境，卻存在移植成功率較低且模型不穩定的問題。如何能夠模擬腫瘤細胞與環境中其他成分（成纖維細胞、脂肪細胞）的相互作用，幫助研發人員理解腫瘤的發生、發展、轉移以及對藥物處理的反應至關重要。

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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構。因其與對應的器官擁有類似的空間組織、保持一些關鍵特性并能夠重現部分生理功能，而被認為是檢測人類生物學和疾病方面的新模型。

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由于類器官培養體系簡單易操作，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年生命科學領域年度技術。2019年6月《Science》期刊發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來源于找到高質量、純凈的生物學材料—干細胞，其次是構建合適的微環境，模擬目標細胞與成纖維細胞﹑免疫細胞的互動。

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美國國立衛生研究院（NIH）在對美國一流醫學中心（如美國哈佛醫學院癌癥中心、芝加哥大學癌癥中心、安德森癌癥中心）進行資質復審驗收時，是否具備開展類器官培養的條件和能力，成為考核總體實力的重要標準之一。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）等權威機構正在聯合構建一個全球性的包括類器官在內的惡性腫瘤模型庫。

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國內方面，復旦大學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及表型分析設備，并積累了國際領先的技術實力。通過與復旦大學附屬醫院合作，已建立腸、肝、肺、子宮內膜等正常組織類器官和腫瘤類器官種質資源庫。

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三、3D細胞培養和高通量藥物篩選市場現狀

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類器官研究涉及的3D細胞培養產業、3D細胞高通量藥物篩選技術實現了很快的發展。據Meticulous Research Analysis的相關數據，2016年，3D細胞培養技術在全球細胞分析檢測市場占據了約9.3%的份額。2017年市場價值8.181億美元，在預計期內將以8.7%的年復合增長率增長，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，但預計未來五年中國將以11.8%的年復合增長率增長，成為年復合增長率最高的國家，具備市場發展潛力。

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3D細胞高通量篩選(High throughput screening，HTS)技術是以微板形式作為實驗工具載體，以自動化操作系統執行試驗過程，以靈敏快速的檢測儀器采集實驗結果數據，以計算機分析處理實驗數據，在同一時間檢測數以千萬的樣品，并以相應數據庫支持運轉的技術體系，它具有微量、快速、靈敏和準確等特點。國內主要的研發企業以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為基礎的藥理研發服務的領軍企業，2017年1月被國內最大的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??? ? ?

結語

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