类器官与器官芯片行业前沿进展

随着技术的不断进步、精准医疗时代的到来以及新药研发日益复杂等原因，市场对类器官和器官芯片等人体高仿生度模型的需求进一步增加。我国科技部早在2021年1月就将“基于类器官的恶性肿瘤疾病模型”列为“十四五”国家重点研发计划中首批启动的重点专项任务。与此同时，国际去动物化实验发展趋势也进一步推动该行业快速发展。2022年年底，美国总统拜登签署法案，新药不需要在动物上进行试验也能获得美国FDA的批准。由此，类器官与器官芯片成为当前值得关注的一个方向。

一、什么是类器官与器官芯片

类器官（Organoids）是一种自组织的3D细胞组织，通常来源于干细胞（多能干细胞、胚胎干细胞或成人干细胞），它能够模拟器官的关键功能、结构和生物复杂性。组成类器官的细胞可以来源于诱导多能干细胞（iPSC）或组织源性细胞（TDC），包括正常的干细胞/祖细胞、分化细胞和癌细胞。

器官芯片广义上被定义为用于体外模拟人体器官的功能单元的微型细胞培养装置。是以微流控芯片为核心，由透明塑料、玻璃或柔性聚合物等材料组成，具有多个模拟人体组织和器官环境的细胞培养分区，各分区之间通过放生循环系统进行连接。狭义上，器官芯片特指微流控芯片及其配套使用的灌流装置。

表1 类器官与器官芯片技术比较

资料来源：DeepTech

二、近期科研相关进展

8月，南华大学第一临床学院脑疾病多组学研究中心的蒙庆团教授团队在国际知名期刊Nature Communications（《自然—通讯》）发表题为“Human forebrain organoid-based multi-omics analyses of PCCB as aschizophrenia associated gene linked to GABAergic pathways（人脑类器官多组学分析发现精神分裂症相关基因PCCB与γ-氨基丁酸通路相关）”的研究论文。精神分裂症（SCZ）是一类涉及多个风险遗传位点和基因的多基因遗传病。寻找可靠的SCZ风险基因并揭示其功能是阐明疾病机制的关键。该研究通过人脑类器官多组学分析发现PCCB的生物学功能以及在SCZ中的作用，将SCZ的“线粒体假说”和“GABA假说”联系起来，为理解SCZ的发病机制提供了依据。

同月，在北京召开的载人航天工程空间应用与发展情况介绍会上宣布，位于苏州高新区的东南大学苏州医疗器械研究院参与研发制作的太空血管组织芯片（Taikonaut-Blood-Vessels-on-a-Chip, Taikonaut）完成了国际上首次血管组织芯片在长期微重力条件下的培养实验，这标志着我国成为国际上第二个具有在轨开展器官芯片实验和分析能力的国家。该类芯片由东南大学苏州医疗器械研究院牵头，联合其他医疗企业院所经过30多个月的时间共同开发制作，其外观仅有U盘大小，包含由人体干细胞重构形成的微型人体心脏，可以收缩和舒张的微型人体动脉血管，具有角质层、真皮层和黑色素的人体皮肤等器官组织。太空实验中，研究人员用原代细胞构建具有功能性的人工血管，并将其安装至自主研发的太空血管芯片中，进行微流体培养以确保血管的稳定性。实验基于失重引发的“立位耐力不良、运动能力降低、血管结构及功能重塑”等长期航天飞行导致心血管系统功能失调的问题进行探索，研究导致血管结构和功能变化的细胞学机制，并测试保护性药物对避免预期问题的有效性。

三、应用场景颇多，未来仍存发展空间

全球类器官与其器官芯片行业的主要商业模式包括产品直销、服务，行业业务模式则将涵盖精密仪器设备、CRO（医药研发合同外包服务机构）以及Biotech（生物科技企业）。该领域内，大多数企业集中在产业链上游，包括为行业提供类器官及器官芯片自动化、高通量操作仪器、芯片制造、成像设备等，以及培养板、试剂盒、水凝胶、纳米纤维、基质胶、合成支架、蛋白和专用耗材等。应用场景上，则涵盖了疾病建模、毒性测试、高通量药物筛选、药物评价、药物适应证拓展、癌症精准治疗、再生医学、航天医学等。

我国此前一段时期内将类器官应用在肿瘤精准治疗等领域，在其他领域的技术积累相对较少。横向比较来看，国外一些企业发展较为迅速。一方面，已有一些海外类器官企业突破了类器官培养在高通量、可重复性以及手动培养非标准化上的技术难点；另一方面，这些海外企业也解决了类器官培养和使用在合规、伦理方面的问题，值得引起我们的思考和借鉴。

此外，虽然动物模型依然是当前新药开发的金标准，但类器官与器官芯片相关技术的发展将带来新突破和新机会。该领域技术与人工智能（AI）技术、多组学技术、文库筛选技术、基因编辑技术等的结合，会对药物开发与研究领域带来更多可能。

参考文献：

[1] Science.FDA no longer needs to require animal tests before human drug trials[EB/OL].[2023-1].(2023-8-29).https://www.science.org/content/article/fda-no-longer-needs-require-animal-tests-human-drug-trials.

[2] Zhang W, Zhang M, Xu Z, et al. Human forebrain organoid-based multi-omics analyses of PCCB as a schizophrenia associated gene linked to GABAergic pathways[J]. Nature Communications, 2023, 14(1): 5176.

[3] 北京科学技术委员会.一周前沿科技盘点丨这个手套能在人与机器之间架起“三道”桥梁丨一块芯片里，竟藏着人体和宇宙飞行的秘密！[EB/OL].[2023-8-28].（2023-8-29）.http://kw.beijing.gov.cn/art/2023/8/28/art_9884_647038.html.

[4] DeepTech.DeepTech发布《2023类器官技术与行业研究报告》[EB/OL].[2023-05-17].（2023-8-29）.https://baijiahao.baidu.com/s?id=1766152096761087673&wfr=spider&for=pc.