类器官行业有哪些新趋势？

生命科学产业观察 · 公众号 · · 2025-02-06 19:13

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这是生命科学产业观察公众号的第 1264-3 期文章

来源：观自在的悉达多

类器官表现出体内对应器官的各种结构和功能特征，并开发出许多新的癌症模型。根据 The Insight Partners 的报告，类器官市场预计将在 2031 年达到 150.1 亿美元，较 2023 年的 30.3 亿美元复合年增长率为 22.1%。

近日GEN杂志采访了多位研发专家，以了解未来几年类器官市场的发展方向。通过多位研发专家的访谈，阐述了器官样品市场快速增长的前景，并指出其在克服临床试验高失败率、改进药物研发过程以及推动个性化治疗等方面的重要作用。同时，也指出了器官样品技术目前面临的挑战，例如标准化不足、可扩展性差、生理相关性有限以及缺乏血管化等，并探讨了利用自动化、人工智能以及与器官芯片(Organ-Chips)整合等方法来克服这些挑战的策略。

类器官领域有望扩展

Maithreyan Srinivasan，博士

空间生物学 Bio-Techne 副总裁兼首席战略官

由于安全性和有效性问题等各种原因，临床试验的失败率很高超过 85%。评估药物特性的传统方法涉及动物模型和二维永生化细胞培养，但它们在捕捉人类疾病的物种特异性方面存在局限性。人类类器官模型已成为一种有前途的替代方案，可以更好地模拟人类生理学的许多方面。除了可以作为动物毒性测试的桥梁和更具成本效益的替代方案之外，类器官还越来越多地用于疾病建模和孤儿病药物筛选。即将到来的一年可能会见证与人类类器官模型相关的几个关键领域的重大进展，包括尝试整合成人组织特异性免疫区室、类器官和器官芯片的整合、数百到数千个类器官的常规自动化多组学表征，以及更多地使用患者来源的类器官进行个性化治疗。

尽管类器官模型前景光明，但仍存在一些挑战。这些挑战包括标准化、可扩展性和生理相关性有限，因为缺少组织特异性细胞类型，包括缺乏微生物组和成熟度/功能不完整。复杂的共培养类器官和组装体会产生类器官内部异质性，并随着类器官的增大而因无法获得营养而出现坏死。由于无法控制类器官的形状、大小和细胞类型组成，类器官之间也缺乏可重复性。尽管存在这些挑战，但该领域仍准备扩大正在进行的努力，以整合类器官和器官芯片，以提高可重复性和扩大规模，使用模拟人体的循环机制连接不同组织类器官的微流体结构，以及使用类器官细胞图谱实现更好的标准化，以及学术界/行业伙伴关系，以生成用于高通量类器官生成和表征的下一代自动化解决方案。最后， 有望利用空间生物学数据集分析方面的进展来更快地分析 3D 类器官。

融入人类多样性，促进药物研发

Ludovico Buti，博士

Charles River Laboratories 研究主管

药物研发正处于其发展的重要转折点。现代疗法的设计和定制越来越多地以人类为最终目标。先进的治疗方式、细胞和基因疗法以及抗体方法具有针对患者的 mRNA、蛋白质或抗原的共同特征。因此，人类体外模型对于推动下一代疗法的发展势头至关重要，特别是在影响中枢神经系统的罕见疾病中，每时每刻都对提供个性化治疗至关重要。

作为公认的动物试验替代方法，类器官通过模拟器官功能、结构和生物复杂性的能力重新定义了现代科学。干细胞可以在三维空间中自我组装，生成类器官，即器官的小型体外复制品。通过密切模仿原始组织的异质细胞组成，类器官使我们能够复制器官的细胞组成以及本质上相互关联的不同细胞类型群体之间的相互作用。这使得在实验室环境中体外重建人体生理学的功能方面成为可能。通过从健康和患病的捐赠者以及具有不同遗传背景的个体中生成类器官，我们可以评估同一种药物在特定人群中是否会表现出相似的活性或副作用。

类器官的主要作用之一是作为药物成功或失败的早期预测指标，这可以节省客户的资金并减少下游责任。 人类群体的异质性从未在药物发现中被考虑过，或者至少仅在后期临床试验阶段才被考虑过。有了类器官，我们可以将人类多样性纳入药物开发的早期阶段，将人类因素置于决策的最前沿，决定新药候选物是否会在药物发现和开发过程中取得进一步进展。

用于个性化医疗的患者类器官

John “Yoshi” Shyu 博士

康宁生命科学部全球科学应用总监

在过去的二十年中，类器官作为模型系统已在科学界得到应用，并被《自然方法》杂志评为2017 年年度方法，以及 2023 年胚胎发育建模方法。这些里程碑标志着类器官技术在开发和疾病建模方面的新前景，将继续在个性化和再生医学领域取得重大进展。

此外，FDA 现代化 2.0 法案的通过使研究人员能够使用创新的非动物方法，包括使用类器官。此类方法能够准确模拟人体生理学，这可能会改变将安全有效的治疗方法推向市场的速度和成功率。

为了实现类器官在人类医疗保健领域的应用前景， 需要进行一些改进，以促进该模型系统的扩展和复杂性的提高。 在扩展高通量或再生医学应用所需的类器官数量时，可以选择保持一致的尺寸以进行静态扩展。在动态条件下扩展类器官会带来一些复杂因素，包括保持尺寸一致性、优化气体交换和剪切应力。最近的生物反应器和封装技术有助于解决这些挑战，但 GMP 级细胞外基质和封装技术的持续进步必须不断发展，以补充从静态到动态条件的类器官扩展。这对于充分认识到高通量、一致的药物筛选工具的前景以及涉及再生医学的治疗应用至关重要。

除了这些机会之外， 另一个关键需求是血管化类器官模型的持续发展 。完全血管化的类器官模型将使人们对与治疗效果相关的药物输送有更全面的了解。此外，再生医学应用将受益于这种额外的复杂性，同时有助于缓解前面提到的一些与在动态系统扩张过程中优化气体交换有关的挑战。

其中 一些血管化改进是通过微流体平台或器官芯片技术实现的 。当前的挑战是将这些知识规模化，以满足大规模扩张的需求。

尽管目前面临诸多挑战，但看到类器官领域的创新在更广泛的研究界中继续快速发展，令人鼓舞。这些进步已经影响到通过患者衍生的类器官获得个性化医疗的患者，随着这些进步的实现，我们将继续改善人类医疗保健。

将类器官与器官芯片整合

Gautam Mahajan 博士

Emulate首席科学主管

类器官和器官芯片等先进的体外模型通过提供可靠的人体组织结构和功能模型，彻底改变了药物发现和开发过程。然而，类器官面临着诸多挑战，例如大小和产量多变、可扩展性有限以及缺乏免疫细胞和动态生理线索。一个显著的限制是类器官缺乏极性，传统上是基底外侧向外的，这限制了它们直接进入管腔，并限制了它们在研究药物吸收和宿主-微生物组相互作用方面的实用性。

为了实现类器官在人类医疗保健领域的最终承诺， 我们必须努力将类器官生成过程标准化并提高其可重复性。 细胞来源（例如患者来源的干细胞）方面的进步以及大规模生产的简化方法对于弥补这些差距至关重要。

将类器官与器官芯片相结合是一种互补的解决方案，将类器官的三维结构与器官芯片的动态功能相结合。 器官芯片提供结合流体流动和机械线索的微环境，增强细胞分化、极化良好的细胞结构和组织功能。这些组合平台推动了药物代谢研究、感染建模和个性化医疗等应用的发展。它们还可以与免疫细胞或微生物共培养，使研究人员能够研究炎症性肠病或肠道冠状病毒感染等疾病中的复杂相互作用。

一个关键趋势是提高这些技术在研究和临床前药物测试中的可及性和可扩展性。 器官芯片制造技术的进步，加上细胞来源的改进，正在将器官芯片与类器官结合起来，使其更适合广泛使用。通过提供生理相关模型，这些技术有望减少和取代动物试验，改变基础研究，并改善药物发现和开发。

随着类器官和器官芯片技术的共同发展，它们为推动生物医学研究提供了变革潜力。通过开辟与人类相关和伦理模型的新领域，它们为个性化医疗及其他领域的创新铺平了道路。

开发经过验证的、值得信赖的模型

Mary Duseau 总裁

Molecular Devices

Molecular Devices 于 2023 年开展的一项调查显示，近 40% 的科学家依赖复杂的人类相关模型，如类器官，预计到 2028 年，此类模型的使用量将翻一番。然而，复杂细胞模型开发中存在两个重大挑战：可重复性和批次间一致性。60% 的科学家尚未研究类器官，但正在研究 2D 人类相关模型，如原代细胞和诱导性多能干细胞 (iPSC)，这当然可以理解。自动化和人工智能 (AI) 的进步已经开始成功解决这些问题，我们预计今年这些创新将显著融入更多实验室。

解决方案将自动化和人工智能结合起来 ，以比传统手动方法更可重复和更高效的方式生成可靠的人类相关模型，这一点至关重要。借助这项技术，研究人员可以自由选择他们喜欢的模型，并灵活地优化和设置培养参数以产生所需的表型。它消除了对复杂细胞模型的手动操作的需要，标准化了协议以减少变异性，并消除了决策中的人为偏见，确保细胞获得它们需要的确切信息，以持续成熟为可靠的模型。

我们还预计，对经过严格测试和特性分析的、可立即用于分析的、经过验证的模型的需求将不断增长，这些模型可准确可靠地模拟生物体细胞的生物过程、行为和反应。我们的内部科学家使用专有流程在模型到达研究人员手中之前确认其相关性和预测值。可复制的类器官使研究人员能够直接提出特定的生物学问题、进行疾病研究或测试治疗化合物。

研究人员需要值得信赖、与人类相关的模型。将自动化和人工智能集成到类器官开发工作流程中（或选择经过验证的现成模型）是实现这一目标的一些创新且可行的方法，尤其是在与精通复杂生物学、自动化和数据科学技术的行业专家合作时。

实现类器官技术的前景

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