電影《復聯4》中有一個經典的科幻橋段：超級反派人工智能奧創控制了遺傳學家趙博士，在她的“再生搖籃”中通過人體細胞，打造了一個強大的機械生命體——幻視。這一看似匪夷所思、活在未來的“再生夢想”，現實中真的存在嗎？

事實上隨著生命科學的發展，基于干細胞自我復制與分化的萬能特性，同時融合3D打印、基因、納米等技術，人類重新修復、再造自我組織和器官的夢想已經照進現實。

現實版“幻視”——“類器官”的誕生開啟了再造自我的可能。新世紀以來，這項新興技術，已經越來越多地應用于包括疾病建模、發病機制、藥物篩選、再生醫學等多個領域，并率先為癌癥的個體化與精準診療開辟了全新的通道。

今天的文章我們一起走進類器官及其產業化的故事。

上古傳說中，神農氏炎帝的肚子玲瓏剔透能夠看見五臟六腑，憑借此天賦他得以根據觀察草藥在體內的運作情況來更好地了解藥效和副作用。現實中，古代醫生也以“神農嘗百草”的方式親身試藥。

到公元8世紀，圈養的家禽家畜被選用為藥物實驗的替代對象。進入17世紀，以體型小、繁殖快、基因純粹的小鼠為代表的動物模型逐漸成為人類“替身試藥”的主要途徑。

△ 在大量的動物實驗探索中，小鼠是最常見的一種：等待藥物實驗的小鼠，正在接受呼吸麻醉

然而，許多在非臨床研究中顯示出令人滿意結果的藥物，在臨床階段卻面臨失敗，動物數據無法完全轉換為人類數據的瓶頸，構成了現代各類疾病新藥研究和開發的重大局限。

直到1965年到1985年間，伴隨PubMed 上搜索量的暴增，反映了細胞生物學領域的一個嶄新概念——類器官（Organoid）在全球各大發育生物學的實驗室里迎來首次流行，科學家們正試圖通過細胞的解離和重聚，在器皿里呈現一種高度類似體內器官結構和功能的“微器官模型”。終于，人類藥物篩選與研究的即將迎來一次歷史性的轉變。

△ 顯微鏡下科學家建立起來的類器官模型結構
（實心與松散狀乳腺癌類器官生長6天視頻記錄）

這項最早嘗試于20世紀初期的開創性研究的核心目標之一就是實現人類器官的重建，以幫助我們更準確地了解組織器官的發育以及生理病理發生的秘密，從而為找到克服萬千疾病的方法創造一條全新的路徑。

在此期間，從2D到3D培養基的轉變，以及在培養基中完成對可再生干細胞復雜三維的培養構建，共同推動著類器官研究的進展。其中，1981年體外小鼠胚胎干細胞系（ESCs）的成功建立，算得上一個重要的里程碑。

作為干細胞家族迄今為止最為重要的分支之一，ESC 擁有出色的多向分化潛能和“發育全能性”，不僅能在體外長期增殖并始終保持高度未分化狀態和進行遺傳或轉化。換句話說，這種無限增殖的特性，將構成培養出不同種類的類器官的先決條件。

但1998年起，從美國掀起的對人類胚胎干細胞（hESC）研究與應用的倫理道德的巨大爭議，使一切與之相關的研究都陷入了一種引而不發的狀態。直到2006年既“繼承”了ESC的多能性，又打破了多能干細胞來源“不正當性”的誘導多能干細胞（iPSC）的出現，才再一次助力了類器官的技術復興。

△ 2012年12月10日，“iPSC之父”山中伸彌在斯德哥爾摩音樂廳接受瑞典國王頒發的諾貝爾獎

01

全球首款類器官：

迷你腸道和它的開山鼻祖

2009年的某天，位于荷蘭烏得勒支科技園的 Hubrecht Institute 研究所，經歷近十年乏味的實驗，分子遺傳學教授漢斯·克萊弗斯（Hans Clevers）詢問實驗室博士后佐藤敏郎（Toshiro Sato）：“進展如何，鑒定出腸道干細胞了嗎？”

“是的，他們在這里。”

△ 腸道干細胞分化出的類器官染色

當 Clevers 看到 Sato 所展示的結果，他第一時間意識到這些經過 Matrigel 體系[1]培養擴增后的小鼠LGR5腸道團簇狀干細胞，具備構建迷你腸道（mini-gut）的潛力，即它們可能擁有分化為全部腸上皮細胞類型的潛力。隨后該實驗小組繼續跟蹤并報告了多個其他人類和小鼠組織的類似結果，均表明該模型能夠很好地模擬體內小腸的形態結構和功能。

這意味著LGR5+小腸干細胞成功培養出了世界上第一個真正的類器官——微型腸道類器官。

盡管在這之前，日本干細胞生物學家佐井佳彥（Yoshiki Sasai）等人曾利用 iPSC 和 ESC 開發建立了大腦皮層、視網膜等“器官樣結構”的方法。但迷你腸道的誕生，是直接從解剖的成人組織碎片中獲得的，包括病變患者組織。相較前者來源于多能干細胞（Pluripotent stem cell，PSC）定向分化所衍生的細胞僅適用于精神遺傳病等發育生物學領域，后者則開辟了成體干細胞（Adult stem cell ， ASC）所涉及的各種領域，如組織生物學、再生醫學、轉化醫學等。

△ 成體干細胞長成類器官的過程

自腸道類器官起，科學家們備受啟發相繼從小鼠和人組織中順利培育出包括腦、胰、肝、胃、腎等在內的多種類器官。作為隸屬于活躍的國際研究社區的一所非盈利機構，2013年 Clevers 創立并領導的 Hubrecht Organoid Technology（HUB）實驗室也因此成為全球類器官技術界的“獨角獸”，Clevers 本人則被業界視為類器官“開山鼻祖”。

接下去的十年，他不僅致力于帶領團隊在全球范圍內“推廣”類器官的培養方法，還同時將自己的另一重身份定位于開發類器官應用價值的國際布道者。

△ 2017年，《Science》雜志稱 Clevers 為類器官建筑師

最初，Clevers 團隊認為類器官首先應當應用于再生醫學領域的器官修復和移植。但由于往往缺乏血管系統和免疫細胞等微環境，在保證細胞不死亡的前提下，類器官正常生長的體積大小是有限的，暫時無法完美地滿足替代人體器官的復雜需要。于是，Clevers 將方向調整為更有可能帶去快速革新的疾病建模領域。

簡單地講，就是利用類器官來模擬和還原組織器官病變的過程，以更好地了解是哪些原因導致了疾病的發生，并有望作為患者的“替身”以評估和篩選潛在的、個體化的治療方案。罕見病囊性纖維化 (CF）是 HUB 實驗室運用類器官驗證藥物測試成效的典型案例。

△ 生物科技巨頭福泰制藥（Vertex Pharma）2012年推出的全球首款 CF 靶向治療藥 Ivacaftor 便得益于同 Clevers 團隊的合作

當然更加順理成章的是，作為最具大量未被滿足的臨床需求的領域之一，癌癥正在迅速發展為類器官技術應用的熱門地。

02

當腫瘤遇上類器官，

遐想中的“替身試藥”照進現實

回顧過去幾個世紀以來人類與癌癥斗爭的歷史，不難發現近幾十年憑借治療手段的革新，生命科學正不斷顛覆著癌癥治療的格局。從外科手術到放化療，再到靶向藥和免疫療法，原本的不治之癥在一定程度上得到了有效的控制，甚至給全球數千萬患者帶去被治愈的希望。

在這一巨大的歷史進程里，還映射著我們對于癌癥認知度的不斷提升。即其不僅是一種基因疾病 （Genetic disease），還是一種免疫細胞無法識別和攻擊惡性細胞的免疫性疾病 （Immunological disease），更是一種非單一的、動態的、顯示出極高異質性（Heterogeneity）特征的疾病。

△ 類器官染色后呈現不同的細胞類型

也就是說，在不同的癌癥患者之間、同一患者的不同腫瘤之間，甚至在同一腫瘤的內部都存在不同的特性。因此，即使今天的癌癥治療取得了質的飛躍，但依然沒有一種“神藥”能夠治療所有類型的癌癥，或是完全掙脫癌癥轉移、擴散及耐藥性的困境。這也是為什么，個性化的精準治療越來越被提倡為未來癌癥創新療法的目標方向。

而精準治療的一個必要基礎便是建立足夠有代表性的腫瘤臨床前研究模型。

在類器官技術誕生以前，人源腫瘤異種移植（Patient-derived tumor xenograft，PDX）模型對于傳統細胞系移植模型（Cell-derived xenograft, CDX）的迭代，對助力腫瘤精準治的創新研究發揮了至關重要的作用。

△ PDX、CDX模型流程對比

相較 CDX 模型需要進行腫瘤細胞系的人工純化，PDX更為完整地保持了原發腫瘤的遺傳特性和異質性，實驗結果與臨床的相似性更高

PDX 模型的主要原理是將來源于人類患者的腫瘤組織和原代細胞植入免疫缺陷的小鼠體內，達到再現人類腫瘤的目的。為研究腫瘤的機制、治療和藥物篩選提供了理想的動物模型。

約2005年，PDX 模型的建立就已趨向成熟，并逐漸被廣泛用于全球范圍內的癌癥生物學研究，協助個性化癌癥新藥的篩選、藥效評估、聯合用試藥、生物標記物研發等臨床前試驗。2014年10月，《Science》雜志封面的“廣而告之”更是將PDX 模型的應用價值推上了高潮。

不過就在5年后，《Science》通過一期特刊“致敬”了類器官獨一無二的前景。四篇重磅綜述中，Clevers 等發表的一篇“當腫瘤遇上類器官”令全球有意布局精準醫療的生物科技公司熱血沸騰。這款市場“興奮劑”的名字便是，終于迎來華麗登場的腫瘤類器官 PDO（Patient Derived Organoid）。

△ 2019年6月7日，類器官榮登《Science》特刊封面

根據直譯“源自患者的腫瘤模型”，PDO的定義可以進一步解釋為：利用患者來源的腫瘤組織進行體外分離腫瘤細胞，并進行3D培養從而形成一個“迷你腫瘤”。其實早在2011年“迷你腸道”問世不久后，Clevers 團隊就從結腸腺瘤樣本中培養建立了結腸腫瘤類器官，開啟了PDO 個性化治療的新紀元。

那么 PDX 與 PDO 的差異究竟在哪，PDO 可以稱之為 PDX 的升級版嗎？

△ PDO流程，本質上：

PDO 相較 PDX 最大的不同在于其構建的是人類腫瘤器官模型

首先，通過腫瘤手術標本、穿刺標本等方式獲取到的腫瘤干細胞（cancer stem cell）擁有強大的體外有序分化和更新為3D結構的能力，從而使得 PDO 的構建過程變得更高效（4-6周）、成功率更高且應用于臨床的結果回報周期更短，有望為癌癥患者在時間窗內提供個性化診療方案。

不僅如此，相較于PDX僅對惡性程度較高的腫瘤具備較高的移植成功率，PDO 既可以良好地濃縮惡性程度不同的各類原始腫瘤的諸多形態和分子生物學特征，模擬其生理和藥敏特性，且基因穩定性、可修飾性更高。無論是對其進行多代培養還是基因編輯，都能保持其構建覆蓋更廣泛癌癥生物樣本庫的可能，并賦予科研人員充分的操作自由度。

△ 相較PDX，PDO既可以良好地濃縮惡性程度不同的各類原始腫瘤的諸多形態和分子生物學特征，模擬其生理和藥敏特性，且基因穩定性、可修飾性更高

更重要的是，越來越多的研究印證了PDO出色的藥效預測性和藥物篩選的高通量性。相關數據顯示，PDO 具備100%的敏感性、93%的特異性和88%的陽性預測值。同時伴隨液體處理和自動化培養水平的提升，PDO 可大大提升高通量藥物篩的效率。

此外，有部分研究通過外周血單核細胞和胃腸道腫瘤類器官的共培養，成功地產生了腫瘤反應性 T 細胞，發現PDO可用于評估 T 細胞介導的腫瘤殺傷效率。意思是，PDO在免疫腫瘤學和液體活檢中也頗具潛力，未來有希望改善傳患者對傳統侵入性活檢的依從性。

△ 腫瘤類器官與免疫細胞共培養：藍色腫瘤類器官，紅色NK細胞

總而言之，可以說橫向上PDO兼具了CDX和 PDX 兩種模型的優勢，縱向上彰顯著自身無限的待開發、可開發的空間。未來，它的價值絕非僅僅作為 PDX 的升級版而存在，而將會是生命科學領域用于識別、評估以及提高抗癌新藥研發效率和療效的新穎工具跟理想平臺。

也因此，以PDO為代表的類器官技術正在勾畫一副新產業的藍圖。醫藥巨頭們渴望在此挖掘新一輪的業務增長點，新興的生物科技公司則更加野心勃勃地希望通過布局先發優勢，抓住一次締造新歷史的機會。

03

癌癥之外，

類器官在諸多領域大有可為

只不過在一切的商業企圖心落地現實之前，產業崛起之初的風向標往往取決于：手握技術密碼的人去了哪里、做了什么，以及哪些因素共同催化了技術商業化、產業化的進度條和可能性。

以Clevers為中心，我們不妨先來厘清迄今類器官研究領域的幾位“大牛”及其間的人物關系。2009年以一作身份在《Nature》上發表了小腸類器官論文的Toshiro Sato當屬Clevers最“得意”的博后。不過2011年完成第二篇結直腸癌類器官論文后，Sato選擇從荷蘭離開并回到了自己的故鄉日本，就職于世界頂尖的綜合研究型學府 Keio university。

2015年，Sato發表了博后生涯的第三篇《Nature》，探索了Cas 9 基因敲除類器官對腫瘤發生發展的影響。有意思的是，同一時間  Clevers 的另一位高徒 Jarno Drost 同樣以一作身份在《Nature》發表了“同款研究”。2016年，基于 HUB 實驗室和兒童腫瘤研究中心 Princess Maxima center 的技術平移合作，Drost 出任Princess Maxima 研究員并于2019年主導科研工作。比 Drost  早一年升職的 Sato 則在2018年從助教晉升為教授。

平行于 Sato 和 Drost 在荷蘭與日本的足跡，來自美國斯坦福大學 Calvin Kuo 小組的 Akifumi Ootani 事實上2009年也報告了一種培養出腸道類器官的不同策略，但由于后期輸出不高，和 Clevers相比 Kuo 組的關注度一直不溫不火。

直到 2018年  Kuo 組于《Nature》發表了一篇建設性的文章詳細詮釋了 PDO 對于重構腫瘤免疫微環境的作用，才真正引起業界注意。與此同時還有兩個來自美國的研究小組分別為：MemorialSloan-Kettering Cancer Center 的Chen Yu團隊，和Cold Spring Harbor的David Tuveson團隊，均基于跟HUB實驗室的技術交流合作分別成功開展了前列腺和乳腺類器官的研究。

△ 基因編輯在類器官中的應用

而 Clevers 本人的職業生涯，則沿著大學教授到研究所所長再到HUB實驗室負責人的路徑，延伸出一些在此之外“企業角色”，值得關注的比如：參與創立了楊森（Crucell），擔任羅氏集團位于巴塞爾的藥物研究和早期開發主管，聯合創立競爭力強勁的再生醫學初創公司Surrozen，及以個人身份或HUB實驗室名義“戰略入伙”遍布全球、專注于類器官技術的新興生物科技公司，如Epistem、Cellesce、Ocello.BV、Crown Biosciences、STEMCELL Technologies等。

如果縱觀大牛們的足跡及其所對應的熱點研究，能夠從中提煉引申出哪些關于類器官應用和產業前景的重要信息呢？

首先比較明確的是，國際上對類器官的基礎研究方向主要集中在腸、肝、腎、胃等消化道器官及其腫瘤組織的培養構建。據統計截至2019年，腸道類器官在全球各類類器官市場中占主導地位對應份額為23.3%，肝臟、胃和胰腺緊隨其后，分別為22.5%、19.0%和13.3%。

△ 按器官類型劃分的全球類器官市場的市場份額和規模

其次，開創性的培養方法、獨創性的發育和疾病模型構建機制是各種類型器官被建立的同時最為熱點的研究目的。相應的，用于類器官培養系統的儀器供應和腫瘤組織來源等，自然構成了產業鏈上游的重要業務。基質膠領域甚至已經形成了由康寧（Corning）收購的BD Biosciences公司Matrigel? 等系列產品的小壟斷。STEMCELL 公司和 X cell 公司則主導著類器官細胞培養基和微環境模擬的細分市場。

產業鏈中游，以提供類器官的培養、凍存建庫和傳代服務為主。國外代表性的企業包括Ocello.BV、 X cell 和由 Clevers 于2021年最近參與創立的AI加持的類器官技術平臺Xills等。而類器官技術的下游，可劃分為圍繞疾病模型和療效預測的科研應用層，為中晚期癌癥患者提供藥敏篩查、精準治療的臨床應用層，和致力于新藥研發、拓展適應癥的研發應用層。截至2019年，發育生物學在全球類器官應用市場中份額最高達到29%，傳染病病理、再生醫學、藥物毒性與療效檢測、藥物發現和個性化醫療等市場份額分別占22.9%、16.6%、14.4%和12.8%。

△ 按應用類型劃分的類器官全球市場份額和規模

不同于中上游，下游應用層尚未涌現具備完全的商業化落地能力的企業，也側面反映了類器官作為一項小荷才露尖尖角的新興技術，依然處于產業化發展的早期階段。目前來看，未來核心的類器官創新技術聚焦于三個方向：類器官芯片（Organoid-on-a-chip）、AI高通量自動化和類器官樣本庫。類器官芯片主要運用微流控、3D打印技術以彌補類器官培養中分子信號無法精確調控的缺陷；AI高通量自動化應用于樣本質控、培養和使用過程的標準化，提高準確率之余還助力降本增效；樣本庫的建立則使生理學相關的藥物篩選成為可能。

但不論位于產業鏈的哪個位置，毫無疑問的是，類器官技術本身的高壁壘都要求“進場”者建立擁有自主研發的創新技術，并在類器官培養的各個環節中都掌握獨有的know-how。面對如此的挑戰和機遇， 全球各國制藥和生物科技行業都在爭奪同一個布局類器官產業化的窗口期，中國當然不會例外。

04

類器官在中國，

奏響生物經濟的號角

近幾年， PubMed 公開發表的文獻中涉及類器官技術的文獻數量呈現直線上升，更顯著的是，2020年來自中國地區的數量排名從過去長達近10年間的第六位躍至第二位，僅次于美國。同樣地，自2016年起類器官技術被納入臨床試驗，截止到2020年9月有63起臨床試驗于FDA官方備案，而中國自2017年起注冊且獲批的類器官臨床試驗研究也達到了20項，涵蓋8個癌種。

從基礎研究崛起到臨床應用的前奏吹響，這期間中國市場發生了什么，又做對了什么？

事實上，一個容易被忽略的視角是，在另一個維度上類器官技術的發展和進步還和干細胞產業化的提速緊密相關。恰好進入2000年后，中國的干細胞產業迎來了新時代的大紅利。海外人才的回流、政策的傾斜、資本的護航等幾股力量的交織，在很短的時間內助力了以細胞治療技術為代表的生物創新科技行業的高歌猛進，進而為由各類干細胞來源的類器官技術順帶開辟了一片廣闊的“用武之地”。

換句話說，在這樣一個歷史節點上，我國一批專注于細胞技術的生物科技公司，將憑借在類器官領域的先發優勢，迎來細胞創新藥之外的另一條充滿無限可能的產業化之路。

△ 干細胞培養得到的各種類器官

同年，政策端也針對類器官進一步“松綁”。2021年1月，我國科技部下發的《關于對“十四五”國家重點研發計劃6個重點專項2021年度項目申報指南征求意見的通知》中，把“基于類器官的惡性腫瘤疾病模型”列為“十四五”國家重點研發計劃中首批啟動重點專項任務。

11月，國家藥監局藥審中心又相繼發布《基因治療產品非臨床研究與評價技術指導原則（試行）》、《基因修飾細胞治療產品非臨床研究技術指導原則（試行）》，首次將類器官列入基因治療及針對基因修飾細胞治療產品的指導原則當中。

卡在一頭一尾的政策東風之間，伴隨神十二載人飛船的成功發射，與三位宇航員同步遨游太空的“第四位宇航員”——來自個體內健康和腫瘤組織的 3D 類器官培養物也受到了包括科學界、產業界和普羅大眾的關注。

△ 伴隨“天和號”核心艙發射成功

“第四位宇航員”腫瘤組織3D類器官培養物進入太空

今年，國家發改委重磅發布的《“十四五”生物經濟發展規劃》，則在“深化生物經濟創新合作”中特別提到：“加快建設人類細胞譜、人類器官生理病理模擬等國家重大科技基礎設施”。同時要“加快生物技術賦能健康產業，大力推動基因檢測、生物遺傳等先進技術與疾病預防深度融合，推動基因組編輯、微流控芯片、細胞制備自動化等先進技術與生物藥研發融合，提高臨床醫療水平”。

從更大的環境來看，在人口老齡化、腫瘤年輕化，以及新冠疫情持續反復肆虐的“助推”之下，類器官在腫瘤新藥研發、個體化醫療、精準醫療和再生醫學等領域的應用價值和地位，也將在大健康消費升級的風口里被重新評估。

△ 類器官技術的熱點應用領域

而對于整個中國醫藥業而言，類器官技術的產業化可能并不會經歷國產替代的“陣痛之旅”，而是極有希望在全球化的進程中掌握技術主導優勢和市場話語權。

 華夏源行業研究組 出品 

微信ID：SNCgroup

Write in the last

寫在最后

2019 年全球類器官市場價值超過17億美元，并將以21.7％的復合年增長率實現快速擴容。而包括癌癥在內的慢性病、傳染病發病率和流行率的增加，是類器官作為治療工具被高度重視和采用的根本驅動。

類器官技術的出現，使我們站在了生命科學發展長河中一個極其重要的歷史拐點上，它預示著一個史無前例的機會，那就是可以借助“細胞”的力量，主動參與到生命演化、疾病模擬的過程中使得每一個普通人都有機會從變成主要自己生命旅程的主人，甚至去影響、改變甚至主導未來生命的方向。

這是“類器官”技術的賦予我們最大的可能性。

參考資料：

[1]The Story of Organoids

[2]weinberg.Cell.2011

[3]doi.org/10.1016/j.cell.2016.05.082

[4]10.1038/s41568-018-0007-6

[5]《Nature Reviews Cancer》

[6]doi.org/10.51335/organoid.2021.1.e11

[7]This scientist is building miniature guts, livers, and lungs that could save your life one day