自2009年以來(lái)，有機(jī)體（Organoids）作為一種三維離體模型，能夠自組織和自我復(fù)制，成為研究的重要領(lǐng)域。當(dāng)時(shí)，由Hans Clevers博士領(lǐng)導(dǎo)的Hubrecht研究所的研究人員提出了一種通過(guò)單一小鼠腸干細(xì)胞培養(yǎng)微小腸的方法。經(jīng)過(guò)Clevers和其他許多科學(xué)家的進(jìn)一步研究，器官培養(yǎng)系統(tǒng)的基本原理已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在這些系統(tǒng)中，干細(xì)胞暴露于生長(zhǎng)因子并在一個(gè)三維基質(zhì)（通常是一種水凝膠）的支持下，形成功能性的微小器官。

如今，人類(lèi)干細(xì)胞常常被用來(lái)生成模擬各種器官行為的器官體。與不死細(xì)胞系相比，器官體在重現(xiàn)原生組織的三維結(jié)構(gòu)、異質(zhì)性和功能性方面被認(rèn)為更具生理學(xué)意義，因此被認(rèn)為在模擬人類(lèi)疾病和預(yù)測(cè)治療反應(yīng)方面更具相關(guān)性。

近期的立法使得人體模型在體外研究中的應(yīng)用機(jī)會(huì)得到擴(kuò)展。2022年末，拜登總統(tǒng)簽署了《FDA現(xiàn)代化法案2.0》，該法案授權(quán)使用某些與動(dòng)物試驗(yàn)替代的方法，包括細(xì)胞基因測(cè)定和計(jì)算機(jī)模型，以在臨床試驗(yàn)之前研究藥物的安全性和有效性。該法案還為FDA提供了更多資源，以推動(dòng)器官體、器官芯片設(shè)備和其他三維模型的標(biāo)準(zhǔn)化。

填補(bǔ)空白

“要推進(jìn)器官體的應(yīng)用，需要一個(gè)能夠相互配合的解決方案生態(tài)系統(tǒng)，” Molecular Devices戰(zhàn)略和創(chuàng)新副總裁Shantanu Dhamija表示?！芭c顧客需要自己組裝的零散提供方案相比，能夠提供完整解決方案的合作伙伴關(guān)系將解決許多戰(zhàn)術(shù)性問(wèn)題?！?/p>

為了促進(jìn)三維生物學(xué)應(yīng)用，Molecular Devices提供了ImageXpress Confocal HT.ai高內(nèi)容成像系統(tǒng)。這是一種用于高內(nèi)容篩選的自動(dòng)化顯微鏡。該顯微鏡具有高激發(fā)功率，可以實(shí)現(xiàn)短暴露時(shí)間，加快成像速度。支持分析軟件IN Carta使用并行處理，比普通分析工作流程分析三維圖像快40倍。

△分子設(shè)備使用其ImageXpress Micro Confocal高內(nèi)容成像系統(tǒng)與Tessara Therapeutics的RealBrain 3D微組織平臺(tái)相結(jié)合，制作了這張Z堆疊圖像，捕捉了腦微組織的三維結(jié)構(gòu)。微管蛋白使用Alexa-488（綠色）染色，膠質(zhì)纖維酸性蛋白使用Alexa-594（紅色）染色。

Dhamija指出，用于生成、監(jiān)測(cè)和使用器官體的工作流程通常分為兩類(lèi)，根據(jù)吞吐量的不同。第一類(lèi)是全自動(dòng)、高吞吐量的器官體生成和分析管理工作流程。在這些工作流程中，調(diào)度軟件將多個(gè)成像儀、液體處理器、離心機(jī)和其他儀器連接起來(lái)，自動(dòng)化重要步驟，如將Matrigel注入凸起體、細(xì)胞移植或給藥。

Dhamija繼續(xù)說(shuō)，第二類(lèi)是低吞吐量操作的工作流程。這些工作流程可能看起來(lái)不太理想，但在某些情況下可能更受青睞。“BioAssemblyBot 400（BAB400）是一種創(chuàng)新的具有六軸機(jī)械臂的三維生物打印機(jī)，是一種獨(dú)立的解決方案，雖然吞吐量較低，但體積更小，”Dhamija解釋道?！巴ㄟ^(guò)添加高內(nèi)容成像儀和培養(yǎng)箱，具有可更換工具的六軸機(jī)械臂使該系統(tǒng)成為用于器官體提取、分配、監(jiān)測(cè)和培養(yǎng)的獨(dú)立工作單元?！?/p>

對(duì)于藥物篩選和藥物發(fā)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，以所需規(guī)模培養(yǎng)器官體仍然具有挑戰(zhàn)性。這一需求促使Molecular Devices收購(gòu)了總部位于英國(guó)的Cellesce公司及其用于放大器官體生產(chǎn)的專(zhuān)有生物反應(yīng)器技術(shù)，以進(jìn)行10,000至50,000個(gè)化合物的器官體生產(chǎn)。客戶(hù)可以指定所需的器官體類(lèi)型，提供器官體系列，或提供患者組織進(jìn)行擴(kuò)展。

Dhamija宣稱(chēng)：“這是一個(gè)重大突破。在藥物發(fā)現(xiàn)中，人們對(duì)使用器官體產(chǎn)生了極大的興趣。但目前的使用率僅約為20％，并且篩選規(guī)模還不大。”Molecular Devices還與Hubrecht研究所創(chuàng)辦的非營(yíng)利組織HUB Organoids合作，驗(yàn)證自動(dòng)化腸道器官體篩選的下一代儀器。

Dhamija表示：“我們希望工業(yè)化器官體，以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、重復(fù)性、低成本和低誤差。在器官體能夠進(jìn)入精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)等應(yīng)用之前，我們需要攻克篩選方面的挑戰(zhàn)。隨著新的治療方式越來(lái)越接近人體，動(dòng)物模型的適用性和洞察力將減弱?！睋?jù)Dhamija稱(chēng)，Molecular Devices展示其對(duì)器官體的“基本信念”另一種方式是與位于維也納的HeartBeat.bio合作，自動(dòng)化生成心臟器官體（cardioids）。

利用微流控技術(shù)

Mimetas將全面的體外組織建模提升到了另一個(gè)層次。Mimetas的首席執(zhí)行官Paul Vulto博士解釋說(shuō)：“以更全面的方式研究疾病可以考慮不同細(xì)胞類(lèi)型之間關(guān)鍵的細(xì)胞相互作用。例如，您可以研究諸如免疫細(xì)胞招募這樣對(duì)于支持新型免疫腫瘤治療至關(guān)重要的方面，并找到免疫性疾病和纖維化的新靶點(diǎn)。”

為了支持這種體外組織建模方法，Mimetas提供了OrganoPlate微流控技術(shù)。體外組織模型通常包括上皮小管、間質(zhì)、血管和免疫細(xì)胞，由三維細(xì)胞外基質(zhì)凝膠支持，并進(jìn)行持續(xù)灌注。OrganoPlate通常包含64個(gè)微流控芯片，并且可以完全自動(dòng)化。

△Mimetas的OrganoPlate是一種微流控技術(shù)，用于體外培養(yǎng)應(yīng)用，可以捕捉不同細(xì)胞類(lèi)型之間的關(guān)鍵細(xì)胞間作用。這里展示的是一個(gè)全面的腫瘤模型，包括完整的血管叢、基質(zhì)和免疫細(xì)胞。

Vulto斷言：“由于我們擁有的PhaseGuide技術(shù)，我們可以在沒(méi)有人工膜的情況下重建組織生理學(xué)?！彼f(shuō)：“我們的模型被用于理解疾病生物學(xué)、新靶點(diǎn)和化合物發(fā)現(xiàn)、優(yōu)先級(jí)和選擇，以及ADME/Tox臨床前研究?！惫咎峁┠c道、肝臟、腎臟、肺、中樞神經(jīng)系統(tǒng)等多種模型。該公司將其應(yīng)用于炎癥和纖維化疾病以及癌癥的研究。

OrganoReady產(chǎn)品系列中提供了多種模型，意味著活體組織將直接發(fā)送給客戶(hù)。產(chǎn)品包括成人干細(xì)胞來(lái)源的腸道器官體和腎小管、血腦屏障內(nèi)皮、Caco2小管和血管。OrganoReady產(chǎn)品用于臨床前開(kāi)發(fā)。典型的活動(dòng)包括血腦屏障透過(guò)性、腸道吸收或毒性測(cè)試。

Vulto表示：“我們?cè)陂_(kāi)發(fā)新模型并將其用于解決當(dāng)今尚未解決的疾病方面每天有60名科學(xué)家工作。根據(jù)Vulto的說(shuō)法，該公司在肝細(xì)胞癌、肝轉(zhuǎn)移、嵌合抗原受體T細(xì)胞療法測(cè)定、傳染性疾病、炎癥性腸病、慢性腎臟疾病和其他適應(yīng)癥方面取得了顯著進(jìn)展。

篩選服務(wù)

Crown Bioscience生物庫(kù)中包含200多個(gè)患者來(lái)源的器官體（PDO）模型，涵蓋六種腫瘤標(biāo)志物。值得注意的是，其中四種標(biāo)志物擁有患者匹配的正常模型。此外，提供的腸炎PDO模型可以用于測(cè)試抗炎治療和再生醫(yī)學(xué)方法。

Crown Bioscience還利用其患者源異種移植生物庫(kù)生成患者源異種移植器官體（PDXO）模型。提供了大約400個(gè)PDXO模型，涵蓋18個(gè)適應(yīng)癥，并且該產(chǎn)品系列正在不斷擴(kuò)大（PLoS One 2023; 18(1): e0279821）。Crown Bioscience的器官體篩選副總監(jiān)Mariusz Madej博士表示：“我們有與PDXO模型相匹配的體內(nèi)模型，用于驗(yàn)證或療效研究?！辫b定分析確保不存在基因漂移和污染，并且與原始組織的歷史數(shù)據(jù)是可比較的。Madej繼續(xù)說(shuō)：“我們?cè)谄鞴袤w的傳代過(guò)程中觀察到非常高的相關(guān)性。與父代PDX模型相比，PDXO模型保留了基因背景和基因表達(dá)，并且在體外模型和體內(nèi)模型中的藥物反應(yīng)相似?！?/p>

△Stemcell Technologies提供細(xì)胞培養(yǎng)基，支持干細(xì)胞、免疫學(xué)、癌癥、再生醫(yī)學(xué)和細(xì)胞療法研究。例如，如圖所示，該公司的STEMdiff腸道器官體試劑盒可以使多能干細(xì)胞發(fā)育成腸道器官體。

但是，需要遵循標(biāo)準(zhǔn)程序，以確保器官體不會(huì)失去干細(xì)胞群體。培養(yǎng)條件非常復(fù)雜，傳代和冷凍方法對(duì)于維持長(zhǎng)期高質(zhì)量的培養(yǎng)至關(guān)重要。

作為一家合同研究機(jī)構(gòu)（CRO），Crown Bioscience提供體外、體內(nèi)和生物標(biāo)志物分析服務(wù)。器官體可用于早期藥物發(fā)現(xiàn)（對(duì)成千上萬(wàn)種化合物進(jìn)行高通量篩選）以及藥物開(kāi)發(fā)（測(cè)試主要化合物的療效、安全性、副作用、組合效應(yīng)和藥代動(dòng)力學(xué)）。

由于器官體具有高藥物反應(yīng)預(yù)測(cè)性，因此也可以進(jìn)行“體外臨床試驗(yàn)”和下游生物標(biāo)志物分析，以識(shí)別對(duì)治療有反應(yīng)和沒(méi)有反應(yīng)的患者群體。預(yù)計(jì)今年晚些時(shí)候發(fā)布的大型篩選能力將縮短時(shí)間并降低成本。

該公司提供幾種已經(jīng)經(jīng)過(guò)充分表征的與免疫和間質(zhì)細(xì)胞共培養(yǎng)的測(cè)定。同時(shí)，公司計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)展共培養(yǎng)復(fù)雜性。利用CRISPR-Cas技術(shù)可以開(kāi)發(fā)用于特定應(yīng)用的基因敲除、敲入和敲入模型。高內(nèi)容成像可以同時(shí)進(jìn)行可視化和定量分析，以深入研究復(fù)雜的形態(tài)和生物變化。

專(zhuān)門(mén)的培養(yǎng)試劑

可以通過(guò)控制器官體培養(yǎng)條件，支持原始細(xì)胞的內(nèi)在編程并推動(dòng)體外結(jié)構(gòu)的組織，以前所未有的程度重新呈現(xiàn)組織的結(jié)構(gòu)和功能特性。

根據(jù)Stemcell Technologies上皮生物學(xué)產(chǎn)品管理主管Jenna Moccia博士的說(shuō)法，器官體的廣泛應(yīng)用面臨一些主要挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)與器官體的潛在優(yōu)勢(shì)密切相關(guān)。例如，培養(yǎng)的復(fù)雜性具有豐富的信息，但很難清晰地解釋?zhuān)换颊咧g的代表性意味著需要區(qū)分不同群體的不同化合物效應(yīng)，但也帶來(lái)了標(biāo)準(zhǔn)化的挑戰(zhàn)。

Moccia表示：“將器官體最優(yōu)地應(yīng)用于其在各個(gè)領(lǐng)域中可能具有價(jià)值的所有領(lǐng)域?qū)⑿枰獣r(shí)間和精力?！盨temcell Technologies開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)的細(xì)胞培養(yǎng)試劑，用于定向分化的多能干細(xì)胞（PSCs）衍生的器官體以及來(lái)自成體組織駐留上皮干細(xì)胞或祖細(xì)胞的器官體培養(yǎng)。這些試劑還支持來(lái)自三個(gè)胚層（外胚層、中胚層和內(nèi)胚層）組織的器官體模型。

該公司還提供用于腸道、肝臟和胰腺的冷凍小鼠器官體，并計(jì)劃最終提供更多類(lèi)型的PSC衍生器官體。該公司的內(nèi)部CRO“Contract Assay Services”提供了評(píng)估化合物毒性的器官體基于服務(wù)。

Moccia表示：“器官體是非常多功能的培養(yǎng)系統(tǒng)。我們的工作重點(diǎn)是為科學(xué)家提供經(jīng)過(guò)優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)化的試劑，以支持新的組織模型，并在現(xiàn)有支持的生物模型上進(jìn)行量身定制，以適應(yīng)使用量激增的應(yīng)用，如藥物發(fā)現(xiàn)和診斷開(kāi)發(fā)?！彼f(shuō)：“五年前，通過(guò)成人組織衍生的腸道器官體以腸道祖細(xì)胞為主，缺乏成年腸道上皮的大部分功能?，F(xiàn)在我們有了支持這些培養(yǎng)的條件，它們表現(xiàn)出成熟的特征，如典型的微絨毛。我也預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)，肝臟器官體的代謝功能將取得顯著進(jìn)展。”

使模型完整

胞外基質(zhì)（ECM）水凝膠，如Corning Matrigel基質(zhì)，對(duì)于器官體在體外形成至關(guān)重要?！癊CM幫助細(xì)胞定向并極化，使其更好地重現(xiàn)體內(nèi)環(huán)境，” Corning Life Sciences的高級(jí)應(yīng)用科學(xué)家Hilary Sherman表示?！皩?shí)際上，Matrigel基質(zhì)是一種廣泛使用的ECM，我們最近增加了一個(gè)生產(chǎn)線以滿(mǎn)足需求。”

如今，有許多不同類(lèi)型的Matrigel基質(zhì)可供選擇。例如，用于器官體培養(yǎng)的Matrigel Matrix包含為器官體優(yōu)化的基質(zhì)特性。每一批次都經(jīng)過(guò)剛度、形成凸起體的能力等方面的測(cè)試，以確保產(chǎn)品特別適用于器官體的生長(zhǎng)。

Matrigel基質(zhì)在冷藏時(shí)是粘稠的液體。當(dāng)溫度升高時(shí)，它變成一種凝膠，可用于提供支架或包埋細(xì)胞。溫度控制可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，整個(gè)過(guò)程中的所有元素都必須保持冷藏。在某些情況下，可以通過(guò)手動(dòng)操作來(lái)保持冷藏，或者可以使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的設(shè)備來(lái)自動(dòng)化一些步驟。例如，Corning的Matribot生物打印機(jī)具有溫度控制的打印頭，可以用于分配和打印諸如Matrigel基質(zhì)之類(lèi)的水凝膠。

△商業(yè)化的胞外基質(zhì)（ECM）水凝膠，Corning Matrigel基質(zhì)，已經(jīng)有超過(guò)30年的歷史。在器官體應(yīng)用中，它可以幫助細(xì)胞定向并極化，使其更好地重現(xiàn)體內(nèi)環(huán)境。當(dāng)冷藏時(shí)，Matrigel基質(zhì)是一種粘稠的液體。隨著溫度升高，它變成了一種凝膠，可以用于提供支架或包裹細(xì)胞。

另一款產(chǎn)品是Corning Elplasia 12K培養(yǎng)瓶，它具有T-75培養(yǎng)瓶的底部表面，含有12,000個(gè)微腔孔，具有超低附著涂層。在播種過(guò)程中，細(xì)胞沉積到腔體中，根據(jù)腔體的幾何形狀，每個(gè)腔體形成一個(gè)單一均勻的球體。

還有更多產(chǎn)品正在開(kāi)發(fā)中，例如完全合成的水凝膠Corning Synthegel 3D matrix，用于擴(kuò)大誘導(dǎo)的PSC球體。Sherman表示：“客戶(hù)正在進(jìn)行各種不同和創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)方案。我們通過(guò)盡可能提供多種產(chǎn)品變體來(lái)幫助滿(mǎn)足他們的需求?！?/p>

器官體研究非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗婕暗綇?fù)雜的細(xì)胞相互作用和組織結(jié)構(gòu)。然而，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和各個(gè)領(lǐng)域的合作，人工器官培養(yǎng)和器官芯片技術(shù)正在取得突破，為疾病研究和藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域帶來(lái)新的機(jī)遇和希望。隨著我們對(duì)人體生物學(xué)的理解不斷深入，相信這些技術(shù)將為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的實(shí)現(xiàn)和醫(yī)學(xué)進(jìn)步做出重要貢獻(xiàn)。

編輯：王洪

排版：李麗