导读
近年来,随着免疫治疗、细胞治疗、基因治疗等新型治疗手段的快速发展,药企的研发强度不断提升。然而,新药研发面临周期长、投入大、成功率低的困境。据估计,一种药物从实验室到市场的所有过程的成本上亿,但目前超过80%的临床试验药物未能通过临床试验,其中60%的失败是由于缺乏疗效,另外有30%是由于毒性问题。究其原因,主要是传统临床前模型(动物、2D细胞培养)预测性不够,体现在两方面:一方面传统的临床前模型对于人体的仿生程度差,对于临床有效性和安全性的预测性低;另一方面,新型成药范式发展迅速,治疗方案复杂化,缺乏相应的临床前模型。新药研发亟待新的转化工具,类器官和器官芯片由此催生,助力临床前到临床转化之间巨大鸿沟的跨越,帮助药企实现降本增效。本文将围绕类器官与器官芯片展开介绍。
类器官
01
类器官简介
02
细胞来源
资料来源:Nature Reviews
图2 已报道人类器官的组织来源
来源:Nature Reviews
03
类器官培养方法
包埋法
(1)分离原代组织干细胞或收集诱导多能干细胞;
(2)将细胞或类器官碎片直接悬浮在基质胶中,并以液滴形式分配到组织培养板表面;
(3)基质胶固化后,加入针对特定类器官培养的培养基和细胞因子、小分子等。
图3 类器官包埋法培养流程
气液法
(1)在中间的滤膜皿中加入基质胶固化;
(2)将细胞悬浮在基质胶中加入到中间滤膜皿固化的基质胶上面;
图4 类器官气液法培养流程
资料来源:Bio-techne
类器官培养基本组成有影响细胞生长、增殖、分化和成熟的细胞因子、支架/细胞外基质(ECM)和培养基条件,其中,基质胶较为通用,常用的有康宁的Matrigel和Bio-techne的Cultrex BME,不同类器官所需的培养基条件和细胞因子不同,是各个类器官公司的核心技术。
04
生理模型
2009年,Hans Clevers团队利用基质胶构成的3D体系,将小肠来源的单个Lgr5(编码Wnt激动剂 R-spondin受体的基因)阳性成体干细胞在体外培养分化出具有自我更新能力、保持肠道腺窝-绒毛状结构的类器官,除了外观结构的仿生外,类器官的基因表达与新鲜分离的小肠隐窝保持高度相似,该模型可以持续扩增达3个月,稳定的基因组保证了纯化和生产放大等优势,此后这种方法被用于从其它主要器官上皮组织培养各种类器官,比如胃、肺类器官等,开启了类器官培养的时代。
图5 肠道类器官
此后,多种类器官被成功培育,包括脑、胃、肾、肝、肺、前列腺、乳腺等类器官。
图6 多种类器官成功开发
资料来源:Am J Physiol Cell Physiol
05
肿瘤类器官
06
类器官的特点
3D类器官一定程度上重现了人体器官结构和功能,但仍存在不足:
器官芯片
01
器官芯片简介
器官芯片可以看做是在体外模拟人类器官单位功能的微型细胞培养装置,包含细胞、组织界面、生物流体、机械力等器官微环境的关键要素。一般来说,器官芯片的硬件设备主要由三部分构成:灌流系统、控制系统和微流控芯片。2010年,哈佛大学Wyss研究所Donald Ingber等构建了首个肺芯片模型:中间通道为具有通透性的多孔膜,用细胞外基质的分子包裹薄膜,上面铺一层肺细胞(从肺的气囊、肺泡中提取),另一面铺人肺毛细血管细胞,上层通空气,下层通培养基,用循环吸力使两侧真空通道收缩,模拟人体肺泡在呼吸过程中收缩的生理过程。在此基础上,还可以模拟肺部感染的时候白细胞抵御细菌入侵的过程。
资料来源:Science、Mimetas、Emulate等官网,融汇医药组整理
02
生理模型
自2010年肺芯片开发出来后,肝芯片、肾芯片、肠芯片、心脏芯片、脑芯片、BBB(血脑屏障)等单器官芯片和多器官芯片逐渐被开发出来,器官芯片在屏障类生理模型、多器官体系的开发中更具优势。值得注意的是,静态培养下的肾脏类器官基本上是无血管化的,在微流控芯片上培养的肾类器官可产生可灌注的血管网络。与静态培养相比,微流控系统培养的肾脏类器官具有更成熟的足细胞和血管结构,且对肾毒性药物的敏感性更高。
资料来源:Nature Methods、Nature Reviews、Emulate等官网,融汇医药组整理
03
疾病模型
复杂疾病模型构建:如前所述,因器官芯片的研发初衷是为了模拟器官单位功能,自然也被人们想到将之用于模拟病理状态下的器官,尤其是模拟一些发病过程比较依赖于多种细胞类型相互作用的、复杂的疾病,以期为人体体内病理过程提供一些洞见,例如:用于新冠病毒感染支气管气道的模型,NASH(非酒精性脂肪肝炎)模型,神经疾病模型等。
资料来源:Emulate、CN Bio、Mimetas、Nature Biomedical Engineering等官网,融汇医药组整理
04
器官芯片的特点
基于微流控的器官芯片表现出以下特点,具有高技术壁垒:
类器官和器官芯片的应用场景
图 药物研发基本流程
资料来源:融汇医药组整理
其中,临床前的药物评估方面涉及安全性、药效和ADME评价:
3.ADME评价:器官芯片被初步用于药物的ADME评价,比如通过肝脏-心脏多器官芯片模型来评估经肝脏代谢小分子药物的PK/PD、及其代谢物的心脏毒性。
除此之外,肿瘤类器官也被尝试用于药敏检测,指导患者精准用药。2018年初 Science杂志发表的结直肠癌类器官临床试验发现,肿瘤类器官组织学和遗传水平和肿瘤组织高度相似,21例小样本量临床数据显示,肿瘤类器官药敏检测PPV为88%,NPV(Negative Predicitve Value,阴性预测值)为100%,更大样本量的临床试验有待进一步开展。
监管机构推动类器官、器官芯片的开发与应用
CDE鼓励在基因治疗/细胞治疗等中应用类器官、器官芯片等开展研究。2021年1月,科技部发布《通知》,将类器官列入“十四五”首批重点专项。2021年11月,CDE发布《基因治疗产品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)》,明确提出在缺乏合适的动物模型情况下,可以使用更完善的体外试验系统、替代性模型,例如类器官、二维/三维组织模型、微流体模型等开展研究。
资料来源:国家科技部、CDE官网
截至目前,已有多款药物成功基于类器官/器官芯片有效性实验数据结合药物的长期临床安全性数据获得FDA批准新适应症的临床,同时国内多款药物的IND申报数据包中纳入类器官/器官芯片数据,类器官和器官芯片在新药研发和申报中的作用逐渐得到监管机构的认可。
资料来源:融汇医药组整理
类器官和器官芯片行业商业模式探索
资料来源:融汇医药组整理
国外类器官/器官芯片公司竞争格局
国外类器官和器官芯片的开发及应用早于国内,且在监管机构、MNC等的推动下得以加速。在类器官方面,国外以HUB Organoids为代表,已搭建了相当规模的类器官模型库,并通过对外技术授权推动了Epistem等类器官公司的发展,国内科途、创芯、丹望等较早入局。在器官芯片方面,国外Emulate、Mimetas、CN Bio、Hesperos等头部器官芯片公司占主导,多家公司得到NIH赞助,并与MNC达成重磅合作,国内大橡科技、艾玮得等积极布局。
国外类器官/器官芯片公司竞争格局
资料来源:融汇医药组整理
国内类器官/器官芯片公司竞争格局
资料来源:融汇医药组整理
结语
文章来自│阳光融汇资本│