類器官行業(yè)分析報告

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2023-03-2810:16NatureMethods如此評價類器官技術：利用干細胞直接誘導生成三維組織模型，為人類生物學研究提供了強大的方法。

干細胞研究已經成為了生物學研究的一個重要分支，而研究干細胞的目的之一是幫助我們更好地理解生命發(fā)生的各個維度。細胞和細胞之間通過間質連接在一起形成細胞團，由于細胞內基因的差異化表達，進而形成了各類器官和組織。

長期以來，科學家們都利用動物模型來進行疾病研究和藥物開發(fā)。而隨著干細胞技術的發(fā)展，科學家們可以利用新的培養(yǎng)方法，將多能干細胞或/和成體干細胞誘導產生一些類似于體內組織或者器官的三維結構——于是，類器官誕生了。

1、科普與市場規(guī)模

類器官(Organoids)指利用成體干細胞或多能干細胞進行體外三維（3D）培養(yǎng)而形成的具有一定空間結構的組織類似物。盡管類器官并不是真正意義上的人體器官，但能在結構和功能上模擬真實器官，能夠最大程度地模擬體內組織結構及功能并能夠長期穩(wěn)定傳代培養(yǎng)（因此也被稱為“微型器官”）。

過去十年中，類器官的發(fā)展被譽為是干細胞研究中最令人振奮的進展之一。早在20世紀80年代，“organoid”一詞就已經提出，但直到2009年，2009年，荷蘭科學家HansClevers團隊成功將Lgr5+腸道干細胞在體外培養(yǎng)成具有隱窩狀和絨毛狀上皮區(qū)域的三維結構，也就是小腸類器官（small-intestinalorganoids），使得類器官的研究翻開了快速發(fā)展的新篇章[Nature.459,7244:262–265]。

圖1

類器官發(fā)展歷程

2013年，類器官被Science評為年度十大技術。2018年初，類器官被NatureMethod評為2017年度最佳方法。目前，多種臟器類器官已被成功構建，其中包括小腸、胃、結腸、肺、膀胱、大腦、肝臟、胰腺、腎臟、卵巢、食道、心臟等，不僅包括正常器官組織類器官，還有相應腫瘤組織類器官。

圖2

不同種類類器官形貌圖.(a）小腸類器官形貌圖.（b）結腸類器官形貌圖.（c）食管類器官形貌圖.（d）胃類器官形貌圖.（e）肝臟類器官形貌圖.（f）胰腺類器官形貌圖.（g）肺類器官形貌圖.（h）乳腺類器官形貌圖.（i）腎類器官形貌圖.（j）腦類器官形貌圖

近幾年，從PubMed公開發(fā)表文獻中搜索“Organoids”，涉及類器官技術的文獻數量呈現直線上升，其中不乏多篇CNS等各大頂級期刊文獻。中國發(fā)表的類器官文獻數量在全球的排名從第六位(2009-2019年)躍至第二位(2020年)，僅次于美國。中國科研積累的提升將加速類器官產業(yè)化的進程。

圖3

類器官文獻發(fā)表數量

類器官可以從成體干細胞(ASCs)、多能干細胞(PSCs)(即胚胎干細胞，ESCs)、誘導多能干細胞(iPSCs)中衍生。類器官培養(yǎng)系統(tǒng)主要包括基質膠、維持類器官生態(tài)所需因子和分化所需因子這幾個主要元素?；|膠中含有膠原、巢蛋白和纖連蛋白等等，為類器官形成三維空間結構提供基質。維持類器官生態(tài)因子主要目的為促進細胞的增殖和抑制細胞凋亡等。常用的基質膠為美國BDBiosciences公司的Matrigel?，在行業(yè)內處于較為壟斷的地位，價格較高。Matrigel可以產生類似于哺乳動物細胞基底膜的生物活性基質材料，幫助多種類型的細胞達到附著和分化。

圖4

獲得類器官的方法[Organoids:Definition,culturingmethods,andclinicalapplications.CytoSMART.2022]

類器官技術作為一種工具，在基礎研究和臨床診療研究中擁有廣闊的應用前景，包括發(fā)育生物學、疾病病理學、細胞生物學、精準醫(yī)學以及藥物毒性和療效測試。這項技術也為再生醫(yī)學提供了巨大的潛力，通過用類器官培養(yǎng)物替換受損或患病的組織，為自體或異體細胞治療提供了可能性。

將類器官技術應用于臨床，指導臨床用藥和精準治療是近期類器官技術的主要發(fā)展方向。事實上，自2016年起，類器官技術已被納入臨床試驗中，截止到2020年9月，已有63項臨床試驗于FDA官方備案。中國國內2017年起注冊且獲倫理委員會批準的類器官臨床試驗研究有20項，涵蓋8個癌種，主要關注化療方法的療效預測，但已有研究開始關注免疫療法在類器官中的應用(長海醫(yī)院，PD-1)。從癌種分布看，目前國內研究癌種多為消化系統(tǒng)腫瘤、胰腺腫瘤、乳腺腫瘤。

圖5

2017以來開展了≥3個類器官臨床試驗項目的癌種

相關報道稱，2019年北美類器官市場達到2.9139億美元，預計將在2027年達到14.0647億美元，將以21.7％的復合年增長率增長。世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機構(IARC)顯示，2020年全球新發(fā)癌癥病例1929萬例，中國新發(fā)癌癥病例457萬例；2020年全球癌癥死亡病例996萬例，中國癌癥死亡病例300萬例。預估國內類器官市場將達百億以上，隨著新的藥物管線的不斷涌現，臨床和患者對個體化治療的需求日益增進，市場空間將持續(xù)增長。

2、類器官與其他模型的比較

目前，最常見的模型是細胞系、酵母、秀麗隱桿線蟲、黑腹果蠅、普通小鼠、斑馬魚、異種移植模型(Patient-derivedxenograft,PDX)等，已被廣泛用于研究細胞信號通路、識別潛在的藥物靶點、開發(fā)新藥等方面，但也暴露出許多局限性。

（1）2D(Two-dimensional)細胞系雖操作簡便，但通常只包含單一細胞類型，諸如腫瘤細胞系，缺乏原始腫瘤的異質性并且在體外培養(yǎng)中基因組不穩(wěn)定。

（2）小鼠模型是大部分實驗室最常用的研究模型，但它和人類特有的生物現象存在固有差異，如大腦發(fā)育、新陳代謝和藥物療效等。

（3）非人靈長類(Non-humanprimate，NHP)雖然在系統(tǒng)進化樹上和人類最接近，具有高度相似的免疫系統(tǒng)、大腦結構和認知功能，但是價格昂貴，同時存在倫理限制、成像觀察的局限性、不可控的復雜變量、難以進行藥物高通量篩選等缺陷，限制其廣泛應用。

因此，根據“3R”原則(Reduce，Reuse，Recycle)和物種保護原則，需要探索能夠縮小與人體差異又兼具穩(wěn)定、易操作、可廣泛應用的模型替代系統(tǒng)，來研究遺傳多樣性、疾病發(fā)病機制和預測藥物反應。

臨床試驗數據證實，直腸癌類器官（RCO）可以準確概括相應腫瘤的病理生理和遺傳變化?；颊叩幕瘜W放射反應與RCO反應高度匹配，準確度為84.43％，敏感性為78.01％，特異性為91.97％。這些數據表明，PDO(Patient-DerivedOrganoids,人源腫瘤類器官模型)在臨床上可預測LARC患者的反應，并可能成為直腸癌治療中的輔助診斷工具。

圖6

類器官模型與2D細胞系、小鼠模型、非人靈長類模型的比較

如上圖所示，根據類器官模型的特點，與傳統(tǒng)模型互補應用而非取代，將為人類生物學研究開辟新的途徑。

與傳統(tǒng)模型相比，類器官具有以下特性：

2.1

速度快

類器官構建成功率高以及培養(yǎng)速度快。常規(guī)來說，在類器官培養(yǎng)一周之后就可以進行藥篩。從樣本采集到出具藥敏結果的全流程已經可以很好地控制在2周之內[NEnglJMed.2019,380(6):569-579]。

2.2

通量高

從可篩查的藥物通量來說，利用類器官不僅可以在孔板上進行多種藥物的篩查，每個藥物還可以測試不同的濃度，多個實驗平行開展。

2.3

臨床相關性高

類器官用于癌癥藥篩的臨床相關性和預測有效性在多篇研究中都已經得到了較為充分的證實。VlachogiannisG團隊在Science發(fā)表了腫瘤類器官體外藥敏測試指導臨床用藥的里程碑式研究，在71位轉移性胃腸道癌提取了110份組織構建了類器官，共測試了55種抗癌藥物。研究結果顯示，類器官藥篩達到了93%的特異性，100%的靈敏度、88%的陽性預測率和100%的陰性預測率，展現了極高的臨床相關性[Science.2018,359(6378):920–926]。

圖7

藥篩模型對比

3、類器官產業(yè)鏈梳理

類器官的產業(yè)鏈上游，以提供類器官培養(yǎng)的耗材（包括培養(yǎng)基、細胞生長因子、凍存液、消化液、基質膠等）和設備為主，其中包括老牌的STEMCELLTechnologies等細胞試劑提供商和專注于提供類器官試劑的新興公司（如PrellisBiologics的血管化3DScaffold、XcellBiosciences的微環(huán)境模擬系統(tǒng)等）。

產業(yè)鏈中游，以提供人或者動物類器官的培養(yǎng)、類器官的凍存建庫以及類器官的傳代的服務為主。

產業(yè)鏈下游客戶主要分為科研應用(高校/醫(yī)院)、臨床應用(醫(yī)院/患者)和研發(fā)應用(藥企/CRO)。部分人類疾病分析難以通過動物模型模擬來完成，且動物模型培養(yǎng)成本高、耗時長、重復性低，類器官模型能夠模擬正常組織及不同階段的癌變過程的組織；且其培養(yǎng)體系簡單易操作，時間和金錢成本較低，并具有較高效率。

圖8

類器官產業(yè)鏈

類器官的科研應用目前主要集中在疾病模型研究、療效預測等方向。目前多所高校和醫(yī)院已經開展了相應的科學研究，如中科院、清華、浙大、北京天壇醫(yī)院、浙大附一等。PDO技術路線比起傳統(tǒng)路線的優(yōu)勢與潛能已獲得學界認可，PUBMED發(fā)布的含Organoid的學術論文于2019年已經超越PDX模型論文年發(fā)表數量，中國國內2017年注冊且或倫理委員會批準的類器官相關臨床試驗研究達到20項。

類器官科研市場相對增長緩慢，科研市場高度定制化需提供標準化服務。隨著科研市場進一步發(fā)展和指南的推進，國內市場逐步擴容，維渡縱橫認為類器官在細胞與基因治療、免疫療法等模型科研服務方面將會有獨特的優(yōu)勢。

臨床研究應用目前主要為癌癥中晚期患者提供精準治療。病人直接試藥耗時長、風險大且過程痛苦，特別是缺乏有效藥物只能通過化療的腫瘤患者，難以及時找到有效解決方案。而類器官可代替病人試藥，實現精準治療。目前類器官以化療藥的敏感性檢測為主，而未來用于靶向藥和免疫治療則具有更大的潛力。目前包括南方醫(yī)院、長海醫(yī)院、華西醫(yī)院、復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院等醫(yī)院已經開展了相應的臨床研究。

目前類器官的臨床市場仍在培育階段：由于未寫入指南，患者的認知度以及臨床醫(yī)生的送檢意愿有限，隨著PDO在臨床應用的增加，預計在精準治療趨勢下，PDO在臨床市場的需求將大幅度增長。類器官對于患者，尤其是對于缺乏有效藥物只能通過化療的腫瘤患者，有極大價值，其可以作為實現精準治療的有效工具。

類器官在商業(yè)市場的應用主要在新藥研發(fā)以及拓展適應癥等方向。目前大約85%的臨床前藥物在進入臨床試驗后開發(fā)失敗，造成巨大的花費和損失，而類器官可在臨床前進行更充分的效價評估，對于后期藥物開發(fā)成本的降低有巨大的價值；在抗腫瘤藥物研發(fā)中，PDO能夠高通量低成本地反應腫瘤異質性，有效彌補PDX動物模型的不足；類器官作為“患者替身”的Phase0“準臨床試驗”，可提高臨床試驗成功率。國外大藥企包括羅氏、禮來等，國內企業(yè)包括先聲、恒瑞、齊魯以及藥明康德等藥企與CRO也參與進來。

目前類器官藥物研發(fā)市場仍在初始階段，藥企仍在觀望階段，類器官公司的目前收入主要為驗證服務。類器官非新藥遞交的必選項，藥企仍遵循適用性策略，且類器官技術成熟度和樣本庫存量仍有限，成為決策的主要顧慮。但不可否認的是類器官技術能夠極大程度賦能藥企做風險管理，并降本增效，藥物研發(fā)市場將具有最大的商業(yè)價值。在全球藥物創(chuàng)新大背景下，藥企對于新藥研發(fā)降本增效、提高成功率的需求劇增，未來對于類器官帶來的價值的支付意愿相較于其他市場更強。

4、國家政策助力類器官

科技部，衛(wèi)健委及CDE近2年不斷出臺政策為類器官的廣泛應用松綁，同時人遺資源的監(jiān)管逐漸收緊，類器官產業(yè)將在鼓勵和規(guī)范政策并行的政策環(huán)境下發(fā)展。

2021年1月28日，科技部下發(fā)的《關于對“十四五”國家重點研發(fā)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(fā)計劃中首批啟動重點專項任務。

2021年11月30日，國家藥監(jiān)局藥審中心發(fā)布《基因治療產品非臨床研究與評價技術指導原則（試行）》和《基因修飾細胞治療產品非臨床研究技術指導原則（試行）》（1），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。

在臨床市場，國家推行鼓勵LDT及ICL的實施，推進科研成果轉化至臨床應用。醫(yī)院可根據臨床需要，自行研制創(chuàng)新IVD試劑，并在院內使用。其中上海浦東新區(qū)的醫(yī)院可以先行開展LDT。上海市衛(wèi)健委推行鼓勵LDT、第三方醫(yī)檢所的實施方案，支持市級醫(yī)療衛(wèi)生機構率先建立科研成果轉化機構，鼓勵和支持醫(yī)療衛(wèi)生機構委托第三方服務機構開展技術轉移服務。

5、類器官行業(yè)發(fā)展方向

目前類器官的技術發(fā)展重點主要有三個，分別是器官芯片、AI高通量自動化、類器官樣本庫(Biobank)。以微流控、3D打印技術為主的工程化解決方案將解決類器官現存弊端，并實現從研發(fā)端到商業(yè)應用端的過渡，成為標準化的應用工具。AI高通量自動化則可以應用于樣本質控以及培養(yǎng)、使用過程的標準化，提高成功率并優(yōu)化節(jié)約人工參與的時間，且便于臨床運用。而Biobank的建立使生理學相關的藥物篩選成為可能，利于將科研成果轉化為市場應用。

5.1

微流控芯片

相較于其他技術，微流控芯片、3D生物打印解決了目前材料難成型、建模成型時間短，取樣小的問題，并且較大的體積可以滿足藥物的傳輸動力學需求。

微流控芯片相較于傳統(tǒng)動物實驗，擁有三個技術優(yōu)勢：

（1）更具成本效益：微流控芯片上的器官比傳統(tǒng)的動物試驗更具成本效益，同時比傳統(tǒng)類器官培養(yǎng)檢測，可以用更小的細胞/組織量測更多的指標。

（2）更好模擬體內環(huán)境和反應：能夠控制細胞和特定組織結構，且具備組織血管化及灌注能力。

（3）便于監(jiān)測健康狀態(tài)與動態(tài)：納入實時組織功能傳感器，如微電極或光學顯微鏡標記物（如熒光生物標記物）。

微流控芯片目前主要應用在科研場景，仍然面臨技術挑戰(zhàn)，主要的挑戰(zhàn)在于三個方面：

（1）集成技術難點：科研領域：國內科研領域多用膜，但加工成本很高，很多學校的科研機構在做膜的集成，但做得不好；商業(yè)領域：多數在培養(yǎng)皿/類培養(yǎng)皿結構上借助水流和壓力完成，用膜結構的技術難度大于膜的集成和膜的加工技術，培養(yǎng)皿作為成套系統(tǒng)，集成較難。

（2）重復性較低：給藥濃度的調控，最后樣品的收集，不是每次實驗都能重復得很好。性價比不高。

（3）硬件壁壘：與國外差距主要在于光刻機的精度、耐久性。

5.2

AI結合高通量自動化

與其他賽道類似，AI在類器官領域更多的是在未來大規(guī)模推廣和臨床使用中用更便捷的方式解決可機械化的人工問題。當前AI科研熱點更多關注類器官培養(yǎng)端，而使用端結合大數據將會帶來更多的顛覆性商業(yè)機會。未來將AI、自動化技術結合微流控芯片形成軟硬件集成的智能解決方案將成為以后商業(yè)化的主流產品形式。

圖9

AI科研熱點

5.3

Biobank

Biobank目前醫(yī)院仍是樣本唯一合法來源，而多個機構已經開始樣本庫的建設。而隨著科技部人遺辦監(jiān)管的不斷加強，未來Biobank將會有更多政府的參與和監(jiān)管。

圖10

Biobank產業(yè)鏈

當前Biobank的難點在于：

(1)樣本庫里組織有限，類器官模型目前的數量以及涵蓋的癌腫遠不及PDX：

①主要存儲的為主流癌腫：肺癌、腸癌、胃癌、乳腺癌，另外較多的還有胰腺癌和頭頸癌。

②由于類器官公司主要通過提供藥敏檢測獲取樣本，正常組織類器官存儲量很有限。

(2)類器官模型培養(yǎng)及維持的成本高，技術也有不足.類器官的復蘇與擴增的失敗率較高，凍存穩(wěn)定性需要繼續(xù)挖掘。

6、類器官行業(yè)競爭格局

類器官行業(yè)在歐洲國家發(fā)展較為迅速，這和歐洲類器官科研最早起步以及積累最多息息相關。類器官的領頭人HansClevers成立的HubrechtOrganoidTechnology（HUB）是類器官最早的研發(fā)中心，HUB技術授權促進了Epistem、Cellesce、CrownBiosciences、STEMCELLTechnologies在內的一批類器官公司的涌現。

中國在類器官領域中，近年來呈現出科研數量大幅度上升的趨勢，尤其在2019—2020年這兩年間顯現出了強勁的發(fā)展勢頭，發(fā)表的文獻數量在全球的排名從第六位（2009—2019年）躍至第二位（2020年），僅次于美國。

2021年2月23日，國家藥品監(jiān)督管理局食品藥品審核查驗中心官網重磅發(fā)布《基因修飾細胞治療產品非臨床研究與評價技術指導原則》（征求意見稿），其中對動物種屬/模型選擇方面提到，當缺少相關動物模型時，可采用基于細胞和組織的模型（如2D和3D組織模型、類器官和微流體模型），這些模擬人體內環(huán)境的模型也可為有效性和安全性的評估提供有用的補充信息。隨著類器官研究的不斷深入和政策的不斷完善，類器官將在轉化醫(yī)學和臨床個體化治療上扮演越來越重要的角色。

參考歐洲的類器官發(fā)展模式，可以預計中國基礎科研積累的提升將加速類器官產業(yè)化的進程，在不遠的將來我們也將看到更多類器官公司的涌現。

表1

部分國內外類器官公司

圖11

國內賽道融資歷史

圖12

國外賽道融資歷史

從投融資次數和金額來看，類器官整個行業(yè)都還處于比較早期的階段，類器官行業(yè)尚未在國內形成集中化產業(yè)集群。競爭剛剛起步，擁有核心技術優(yōu)勢和完整生產鏈、盡早布局該行業(yè)的企業(yè)將具有先發(fā)優(yōu)勢。

另一發(fā)展契機在于，目前國內外行業(yè)都還沒有建立完善標準，因此中國類器官公司以及研究機構在類器官技術的標準化以及應用指南的建立等方面可以積極參與，未來在行業(yè)中可掌握主導優(yōu)勢和話語權。

7、最新科研進展

7.1

3D打印微流控芯片

2022年4月12日在LabonaChip上的一篇文獻，來自魯汶大學機械工程系生物力學科生物工程和形態(tài)發(fā)生實驗室的IdrisSalmon等人，開發(fā)了一種基于人類多能干細胞的方法，來產生以空間決定的方式與血管細胞相互作用的類器官。這種基于3D打印的平臺旨在與任何類器官系統(tǒng)兼容，為理解和操縱組織特異性類器官與脈管系統(tǒng)的共同發(fā)展開辟新的途徑[LabChip.2022,22(8):1615-1629]。

圖14

3D打印微流體平臺，用于片上血管化類器官培養(yǎng)物

圖15

3D打印微流控芯片中的血管網絡表征和類器官侵襲

7.2

體外β細胞類器官

4月8日發(fā)表在NatureProtocols的文獻里，JingqiangWang等從成年小鼠中分離胰島祖細胞，使功能性胰島類器官在體外的有效生成和長期擴增成為可能。其團隊通過延長培養(yǎng)期和循環(huán)葡萄糖刺激來實現胰島類器官功能成熟。所得類器官主要由β細胞組成，也含有少量α、δ和胰多肽細胞。該方法為體外生成β細胞提供了一種策略，為研究胰島再生和相關疾病提供了一個類器官模型[NatureProtocols.2022,17,1359–1384]。

圖16

體外胰島類器官和體內類器官細胞的表征

7.3

大腦自閉癥模型

2022年4月5日，奧地利科學技術研究所發(fā)現自閉癥高危基因的突變以及如何破壞大腦重要的發(fā)育過程，利用微型的大腦模型幫助我們理解自閉癥。有別于先前使用小鼠的模式，此次研究使用大腦類器官獲得巨大的進展，結論指出是CHD8突變破壞神經元生產平衡，造成患者大腦發(fā)育不全[CellRep.2022,39(1):110615]。

圖17

對照實驗，突變類器官過度生長

8、類器官技術挑戰(zhàn)

類器官現在面臨的關鍵技術瓶頸是無法實現體積和功能的同步生長，而解決此問題首先需要解決其中的主要問題，包括培養(yǎng)方式、血管化及定量化研究等。

（1）血管化。目前大多類器官本身并不具備血管化的結構。因此，隨著類器官體積的增長，類器官受限于氧氣的缺