2023类器官技术与行业研究报告-复刻结构重现功能 构建组织器官替身

构建组织器官“替身”2023类器官技术与行业研究报告03前言31未来展望38版权说明2类器官是一种体外培养的由干细胞分化而来的自组装三维细胞团。尽管类器官并不是真正意义上的人体器官，但是类器官具有干细胞对应组织器官的细胞类型和复杂空间形态，并能够表现出细胞与细胞之间、细胞与其周围基质之间的相互作用和空间位置形态，而且其能够模拟组织器官的部分功能和生理反应，与来源组织具有极自2009年首类器官被建立以来,类器官领域呈现快速发展趋势，该项突破性的成果也得到了科研界和产业界的广泛认可。2013年，Science杂志将类器官列入年度十2017年，NatureMethods杂志将类器官评选为年度技术；2019年，TheNew作为一项生命科学的基础研究工具，类器官技术对生物医学产生了颠覆性影响，改进了体外探索生命现象和医学问题的手段和方法，在众多领域都展现出巨大的应用基于此，DeepTech研究团队对类器官技术和产业进行研究并撰写本报告。本报告系统梳理类器官技术发展脉络，探讨类器官技术应用场景，明悉类器官产业现3类器官全产业链发展格局初步形成•类器官：模拟组织器官，构建组织器官“替身”42器官功能：2器官功能：应该表现出来源器官所特有的一些功能3组织方式：细胞的组织方式应当与来源器官相似类器官：模拟组织器官，构建组织器官“替身”类器官是一种体外培养的由干细胞分化而来的自组装三维细胞团。尽管类器官并不是真正意义上的人体器官，但是类器官具有干细胞对应组织器官的细胞类型和复杂空间形态，并能够表现出细胞与细胞之间、细胞与其周围基质之间的相互作用和空间位置形态，而且其能够模拟组织器官的部分功能和生理反应，与来源组织具有极11细胞类型：必须包含一种以上与来源器官相同的细胞类型与类器官极易混淆的概念——器官芯片，指的是一种在微流控芯片上构建的人体器体和机械力刺激等复杂因素的组织器官微环境，反映人体组织器官的主要结构和功表1|类器官和器官芯片技术比较（来源：公开资料，DeepTech）5历史演进：类器官研究进入快车道类器官技术已经成功构建几乎所有的组织器官，相关研究进入快车道。早在20世来源于小鼠肠道的成体干细胞培养出首个具有小肠隐窝和绒毛结构的微型肠道类器HansClevers类器官先驱•2013年，Science杂志评为年度十大技术。•2015年，MIT科技评论十大科技突破之一。•2018年，NatureMethods评为年度方法。•2018年，Science杂志首次报道肠癌类器官药敏筛查系统，敏感度100%，特异性93%，阳性预测率88%，阴性预测率100%。•2019年，TheNewEnglandJournalofMedicine杂志成为优良的临床前疾病模型。•2021年，类器官作为“培养皿中的宇航员”登上中国空间站。•2007年，HansClevers团队发现小肠和结肠的干细胞为Lgr5+细胞。•2009年，HansClevers团队使用小鼠肠干细胞在体外自组织形成具有小肠隐窝和绒毛结构的小肠类器官。•2010年，胃类器官被首次成功培育。•2011年，由人多能干细胞和原代成体干细胞发育而来的肠类器官被成功制作。•2011年，由鼠胚胎干细胞培育而来的视网膜类器官被首次成功培育。•2012年，由人多能干细胞发育而来的视网膜类器官成功培育。•2013年，由人多能干细胞发育而来的脑类器官被成功培育。肝、肾、胰类器官被成功培育。•2014年，前列腺、肺类器官被成功培育。•2015年，乳腺、输卵管、海马体类器官被成功培育。•2020年，蛇毒液腺类器官被成功培育。•2021年，胎盘类器官被成功培育。6科研成果逐年提升，中国科研力量位居世界第二索”organoid“,从HansClevers成功构建小肠类器官起，2009年发表23篇，发展到2022年发表1682篇，至今发表7019篇，类器官技术相关科研文献逐年上升。从文献发表的国家/地区看，中国发表文献1095篇，位居第二位，成为类器官领域图1|类器官历年文献数量（来源：WebofScience）图2|类器官文献的国家/地区分布（来源：WebofScience）类器官领域科研学者图谱Lancaster表2|类器官领域部分科研学者图谱（排名不分先后。来源：公开资料，DeepTech）8美国美国政策为类器官技术开山拓路类器官技术的发展除了科研积累和技术创新驱动外，相关支持性政策的出台也起到了开山拓路的作用。国际和国内不断出台政策为类器官的广泛应用松绑，类器官领），药物在人体中是否安全的过程。该计划首次把类器官和器官芯片相关2022年，美国通过了FDA现代化法案2.0，该法案的主题是推动减少临床前试验对动物的应用，用更现代的科学方法代替，例如器官芯片2020年2020年，类器官研究项目进入欧盟地平线2020战略计划。该项目结合了单细胞特征分析和类器官技术，用以验证类器官是人类生物学的可靠模型。该项目是欧盟地平线2020框架计划资助的六个试点行动之一，旨在开发一个开放存取的“类器官单细胞图谱”，将帮助欧盟完9政策为类器官技术开山拓路类器官技术的发展除了科研积累和技术创新驱动外，相关支持性政策的出台也起到了开山拓路的作用。国际和国内不断出台政策为类器官的广泛应用松绑，类器官领重点专项2021年度项目申报指南征求意见的通知》中，把“基于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重点专项任务。“十四五”国家重点研发计划中重点作为一项重大的技术突破被用于疾病模型的建立中，且可用于研究病非临床研究与评价技术指导原则（试行）》和《基因修饰细胞治疗产品非临床研究技术指导原则（试行）》，首次将类器官列入指导原则类器官相关文件2022年7月《类器官药物敏感性检测指导肿瘤精准治疗临床应用专家共识》（2022年版）2022年7月《肿瘤类器官诊治平台的质量控制标准中国专家共识》（2022年版）2022年9月T/CSCB0005—2022《人肠道类器官》团体标准2022年9月T/CSCB0006—2022《人肠癌类器官》团体标准2023年2月T/CMBA020—2023《人正常乳腺及乳腺癌类器官制备、冻存、复苏和鉴定操作指南》表3|类器官相关专家共识和团体标准（来源：公开资料整理，DeepTech）表4|国内部分类器官公司融资情况（来源：公表4|国内部分类器官公司融资情况（来源：公开资料，DeepTech）资本要素助力行业发展类器官技术的火热吸引资本要素进入该领域，助力行业发展。国内类器官公司的成立时间集中在2015年至2021年，整个行业处于早期的起步阶段。与之相匹配的是在资本市场上，类器官公司的融资也处于早期阶段，大部分处于天使轮至A轮。商类器官全产业链发展格局初步形成化产业集群，类器官创新公司数量不足，且主上游以提供类器官培养提的试剂耗材和设备为主，包括提供基质材料、细胞生长因子、培养基和生物反应器等。主要是国际知名的生物试剂提供商，国内的类器官创新企业也有布局，同时国内也开始出现创新公司专门提供类器官的培养原材料，如厦门中游公司以类器官技术为核心，提供类器官培养、存储和类器官相关专业服务（如药敏检测、新药研发）等业务。国内创新公司主要集中在沿海发达城市。随着公司技术和商业模式的成熟，创新公司开始向西拓展业务，如华医再生、艾名医学均在成都类器官技术最先在高校科研院所应用，主要集中于发育生物学研究和疾病建模等科学研究。目前类器官医院在临床上主要用于为癌症中晚期患者进行药敏检测，提供精准治疗。类器官的临床应用逐渐在全国类器官技术应用于新药筛选、毒理检测、拓展适应症等药物研发领域。类器官药物研发市场仍处于初步类器官构建的四大要素肿瘤类器官更多用于肿瘤药物研发以及肿瘤精准治疗等肿瘤类器官更多用于肿瘤药物研发以及肿瘤精准治疗等领域。细胞来源：多能干细胞和成体干细胞类器官可以从多能干细胞（Pluripotentstemcell，PSC）或成体干细胞（Adultstemcell，ASC）中培养而来。而PSC又可以分为胚胎干细胞（Embryonicst还有一种特殊的类器官是肿瘤类器官，由活检样本或手术切除的肿瘤组织中分离的例如神经外胚层如视杯、大脑类器官仅来源于PSC，因而研究精神遗传疾病、发育生物学主要利用PSC类器官。ASC来源于组织中具有再生能力的前体细胞，主要应用于研究成体组织生物学、组织再生等。iPSC类器官应用更加广泛。人类多能干细胞具有无限自我更新并分化为几乎所有器的形成需要先将体细胞（通常是皮肤或者成纤维细胞）重编程为具有多能干性的PSC，随后暴露于调控胚层发育和组织特异性定型因子中，激活或抑制关键信号通类型。肠道类器官是典型的内胚层衍生的类器官，PSC在TGF-β信号的刺激下形成的形成。大脑类器官是外胚层衍生的类器官，而由于ESC更类似于外胚层为人类疾病建模和药物筛选等提供丰富资源。此外，PSC类器官形成过程遵循体内胚胎发育的命运轨迹，因而可用于重现组织或器官时空上的发育过程和内在变化，细胞来源：多能干细胞和成体干细胞ASC通常从组织器官中分离出来，其分化能力十分有限，在含有支持其干细胞活性的生长因子的特定培养基中可以形成类器官。ASC的效力有限导致所有ASC衍生类官相比，ASC来源的类器官的成熟度更接近组织的成熟度，因此它们可以用于研究细胞为双潜能干细胞，在类器官标准培养条件下只生成导管上皮类器官，但在培养如今已相继培养出一系列ASC类器官，包括几乎所有以及部分非消化系统的类器目前，人类对于ASC的认识还十分有限，随着体内ASC调控机制的深入研究，ASC类器官也许能够为组织再生图3|从PSC和ASC产生多种类器官（来源：CytoSMART）细胞来源：多能干细胞和成体干细胞肿瘤类器官是患者肿瘤良好的体外替身。肿瘤类器官通常是从肿瘤患者活检样本或者手术切除的肿瘤组织中提取的细胞培养而成，也可以从外周血、腹水和胸腔积液等液体样本中分离的肿瘤细胞培养而成。肿瘤类器官在很大程度上保留了原始肿瘤药敏筛查是肿瘤类器官最常见的应用之一。2018年，Science杂志首次报道肠癌类器官药敏筛查系统，敏感度100%，特异性93%，阳性预测率88%，阴性预测率100%。还有更多的类似研究均有力地证实了来源于癌症患者的肿瘤类器官可有效相比，肿瘤类器官是一种周期短、效率高、成本低,并能准确反映疾病病理生理状特征肿瘤细胞系肿瘤类器官实验成本低高中技术难道低高中细胞异质性低高高细胞功能低中高高通量筛选适用性高低高药筛一致性低高高基因可修饰性高低高精准医疗程度低高高表5|肿瘤研究模型优劣势对比（来源：公开资料，DeepTech）基质材料由Matrigel占据垄断地位用于构建类器官的细胞被分离后，通常需要接种到生物衍生的细胞外基质材料上。细胞外基质是细胞外呈现网络胶状的大分子纤维，为类器官形成三维空间结构提供增殖和分化，从而指导细胞命运和发育过程。的地位。Matrigel从小鼠肉瘤中纯化，其主要由层粘连蛋白和胶原蛋白IV组成。近年来，基质材料已经从基质胶发展到了多种天然或合成材料制备的水凝胶系统。基于天然聚合物的水凝胶由单一或多种成分组成，蛋白类如胶原蛋白和纤维蛋白，器官培养的研究。另外，人工合成聚合物水凝胶具有分子明确和制造工艺稳定等优基质材料基质胶天然聚合物脱细胞组织水凝胶人工合成聚合物优势内置营养物质和蛋白质的混合物；现成的商业化产品；易于操作惰性；低毒性；生物降解性低毒性；与原生细胞外基质非常相似；高生物活性；生物降解性化学成分确定；机械和降解性能可调节劣势临床不适用；批次间差异；动物来源；价格贵机械强度低；缺乏组织特异性机械强度低；快速降解低生物活性；低细胞粘附；缺乏组织特异性表6|不同基质材料的优劣势比较（来源：公开资料，DeepTech）可溶性因子指导类器官细胞分化和增殖培养基中的可溶性因子指导类器官细胞分化和增殖，促进类器官的形成。对于类器不同类器官所需培养条件不尽相同，与组织来源高度相关，各成分在特定的组织来制备不同的类器官需要使用不同的细胞因子组合。介导类器官形成的信号通路与体内器官发育与稳态维持的信号通路相同，这些可溶性因子在类器官培养过程中，通过激活或抑制特定类器官类型的信号通路来指导干细胞的分化增殖，从而促进类器图4|制备不同类器官需要不同的可溶性因子组合（来源：NatRevMolCellBiol）类器官培养方法以浸没式基质胶培养为主图5|类器官的物理培养（来源：NatureReviewsGenetics）类器官技术释放价值，不断拓展应用场景③研究发育生物学和疾病的优良模型类器官技术在科研端被广泛地应用于发育生物学和疾病建模等方面的研究。类器官 利用干细胞培育出大脑类器官，并在六个月的时间里仔细研究了它们的生长发育情况。通过大脑类器官技术和单细胞测序技术研究了发育过程中细胞位置、基因表达和染色体可及性等数据，随后利用这些数据绘制了人类大脑发育图谱 02PSC衍生的大脑类器官成功用于模拟成人脑部疾病的早期阶段，障碍患者来源的端脑类器官研究发现，FOXG1基因及其下游基皮质发育异常，这表明FOXG1可作为特发性自闭症谱系障碍潜 03肠类器官不仅应用于恒河猴轮状病毒的病理学研究,还作为诺如药物筛选与研发的高性价比平台药物在进入临床之前需要经过筛选和评估以确定其适应证、有效性和安全性，然而而类器官的出现为药物筛选和研发提供了新的高性价比平台，有望缩短新药研发时HansClevers团队利用19个结直肠癌类器官模型筛选物的有效突变靶点，如IWP-2对RNF43突变型结直肠癌有效，发2022年，NatureCancer上的一项研究首次使用来自癌症患者的类器官库对500多个双特异性抗体进行筛选，从中发现了名为酸脱氢酶释放试验）并配合活细胞计数等手段判断药物对健康组精准医学时代的试药替身目前，类器官用于精准医疗，尤其是肿瘤药物敏感性检测是目前类器官商业化的主2018年，Science一篇关于类器官药敏检测有效性的文章为类器官药敏检测的发展奠定了理论基础。该项研究利用71名结直肠癌和胃食管癌患者的因型图谱显示与原始患者肿瘤高度相似，在预测抗癌药物的有效性上，类器官具有100%的敏感性，93%的特异性，88%的阳性预测值以及100%的阴性预测值。因此肿瘤类器官在精准医疗中逐渐得到广泛的应用，为癌症类器官构建成功率高以及培养速度快。常规来说，在类器官培养一周之后就可以进行药筛。从样本采集到出具药敏从可筛查的药物通量来说，利用类器官不仅可以在孔板上进行多种药物的筛查，每个药物还可以测试不同的浓度，类器官用于癌症药筛的临床相关性和预测有效性在多项研方兴未艾的再生医学再生医学的目标是替换或重新启动因疾病、损伤、年龄或其他问题而受损的组织或器官。类器官越来越多地被用作种子材料，被类器官技术转化为临床可移植的器官仍需要漫长的过程，但类器官移植为再生医学胞衍生类器官移植人体的临床研究，他们对一例难治性溃疡性大肠炎患者移植了使用患者自身健康的肠道黏膜干细胞培养的类器有研究团队使用过表达PD-L1的慢病毒感染iPSC细胞,经逐步诱的糖尿病小鼠体内后,过表达PD-L1的胰岛类器官能够使小鼠血糖恢复正常超过50天。目前，胰岛类器官已能成功恢复糖尿病宁夏医科大学总医院的研究团队成功建立了小鼠子宫内膜来源的崛起前路依旧有重重挑战•重复性和一致性是类器官技术商业化的重大瓶颈血管化限制类器官扩大培养，阻止类器官后期发育和成熟类器官技术目前正处于技术爆发和科研成果井喷的阶段，类器官产业也正处于起步大多数类器官本身并不具备血管化的结构。随着类器官体积和复杂性的增加，由于氧气和营养扩散的限制以及代谢废物的增加，常导致类器官内部共培养模型细胞生长微环境解决血管化问题最直接的方式就是在体外创造一个与体内近似的细胞生类器官成熟度和功能有限，无法完全复制人体器官目前的类器官模型都没有完整重现器官来源的所有细胞类型、细胞成熟水平以及器官的整个生理功能，仅表现出器官的某些功能。绝大多数类器官模型都缺少组织特异性细胞类型，包括免疫细胞、血管形成细胞、神经或微生物组等。另外，类器官的成熟度有限，只能形成类似于胎儿的组织而使用小分子化合物包括使用小分子化合物（如BDNF）对类器官进行预处理加速类器生物反应器不同方案培养的同种类器官之间有差异，缺乏标准化目前，多个组织器官和多个肿瘤类器官已经成功培养，类器官的培养已经不再是首要难题。但是，不同实验室以及公司所采用的类器官培养技术及培养基方案各不相同，尤其是所用的生长因子、氨基酸、小分子抑制剂等可溶性因子不同，导致不同方案培养得到的类器官有差异，各个应用场景所获得的实验结果会出现不同程度差异。类器官从实验室研究到产业化应专家共识重复性和一致性是类器官技术商业化的重大瓶颈药敏筛查等过程中仍采用人工操作模式，人为因素参与过多、自动化程度低，导致了系统偶然性造成的误差较大，存在实验结果可重复性和一致性较差的问题，难以满足商业化应用需求，限制了类器官向临床研究和商业自动化系统合规发展是类器官行业发展的长久之策类器官行业的高质量产业化发展，须打通从组织、细胞等人类遗传资源的随着人类遗传资源管理条例的实施，国家对人类遗传资源的使用要求日趋法律法规界定类器官商业公司与国家级人类遗传资源库在战略层面和业务层面③类器官芯片融合类器官和器官芯片优势，拓展应用边界尽管类器官具有巨大的潜力，但现有的类器官培养系统具有一些局限性，限制被广泛应用。于是，研究人员开始从生物工程和材更相关且适合目标应用的类器官。微纳加工技术和微流控技术的巨大进步使得器官质、检测细胞功能的传感器等元素构成的人体器官生理微系统，主要优势在于能够基于此，类器官芯片（Organoid-on-a-chip）整合了类器官与器官芯片的优势特从而形成器官生理微系统。类器官芯片不仅具有类器官的优势，可以模拟器官的发确控制细胞及其微环境的优势，实现了在微米尺度上操控流体以及对参数变化的动图6|融合类器官和器官芯片技术设计类器官芯片（来源：LifeMedicine）类器官芯片融合类器官和器官芯片优势，拓展应用边界类器官芯片类型细胞来源应用脑模拟脑早期发育过程和产前环境因素(尼古丁、重金属镉、酒精)暴露模拟大脑折叠的物理过程肝脏肝毒性药物测试,模拟非酒精性脂肪肝病肠模拟肠隐窝和绒毛结构的空间排列和生理功能构建血管化结肠类器官；通过炎症因子刺激构建结肠炎症模型胰岛模拟胰岛发育过程，研究胰岛的关键细胞组成和功能胃模拟胃生理蠕动肾模拟肾小球血管发育和肾类器官形态发生的过程ASC构建BK病毒感染、恶性和遗传性肾脏疾病模型视网膜评估药物性视网膜病变；验证腺相关病毒视网膜基因治疗载体心肌-肝脏多层分区设计实现两种类器官的共培养,用于抗抑郁药氯米帕明的药物毒性研究肝脏-胰岛在分区设计的微阵列芯片上实现了肝和胰岛类器官的动态培养和相互作用研究,模拟了高糖条件下Ⅱ型糖尿病的主要病理特征和对降糖药二甲双胍的响应hiPSC:人诱导多能干细胞/hESC:人胚胎干细胞/hPSC:人多能干细胞/hASC:人成体干细胞表7|类器官芯片的应用进展（来源：LifeMedicine，DeepTech整理）类器官芯片融合类器官和器官芯片优势，拓展应用边界类器官芯片技术有利于类器官通量产生和血管化形成，使得类器官具有更高的可重复性和更复杂的结构，并可以模拟多种类器官相互作用条件以及组织微环境控制，类器官技术与多种创新技术融合，拓展应用边界。类器官技术通过与活细胞成像和高通量分析技术结合，可以实时跟踪类器官形态的发生发展，并进行高通量药物筛尺度的功能类器官；与基因编辑、多组学分析和人工智能等技术结合，可以进一步提高类器官反映人体生理或病理过程的准确性，有助于以更高的保真度来深入认识通过接口方面的突破，让人们能够向类器官传递输入信号，测量输出信号，并采用反馈机制来模拟学习过程通过接口方面的突破，让人们能够向类器官传递输入信号，测量输出信号，并采用反馈机制来模拟学习过程在类器官智能的开发过程中讨论出一个公认的伦理框架通过人类干细胞技术和生物工程的进步来重建大脑架构，并对其认知能力潜力进行建模类器官智能，开启以类脑器官为硬件的生物计算新范式人脑可以说是已知最强大的计算系统。它在处理大量复杂信息方面非常高效，可以从噪音中分辨出信号，适应并过滤错误信息行。人脑的处理效率、渐进式学习和可塑性是任何能更好地处理少量或不确定的数据；可以执行顺序处理，也可以执行并计算机只能执行顺序处理；在大型、高度异构、不完整的数据集和其他具有挑战性基于人脑的强大计算能量和大脑类器官研究的巨大潜力，美国约翰霍普金斯大学于和新兴领域——类器官智能，旨在将类器官智能建立为一种真正的释放脑类器官在生物智能上的巨大潜力。由此形成了一个类器官智能研究社区，并通过新颖的机器学习、大数据脑类器官类器官智能，开启以类脑器官为硬件的生物计算新范式类器官智能研究领导者之一ThomasHartung教授展示了基于类器官智能生物计算件和对学习至关重要的细胞和基因的富集得到优化。类器官的可扩展性、可行性和