人体类器官作为药物研发的三维体外平台：机遇与挑战

人体类器官作为药物研发的三维体外平台：机遇与挑战

Daisong Wang, Remi Villenave, Nadine Stokar-Regenscheit & Hans Clevers

摘要

类器官是从干细胞衍生出的三维结构，能够重现相应组织的关键结构和功能特征。与传统的二维细胞系相比，人体类器官能提供更接近人体生理的实验模型。其能够捕捉人体组织的复杂性和异质性，有助于研究疾病机制、药物疗效和毒性。由患者样本建立的类器官还能评估个体对药物的反应。在本综述中，我们探讨了类器官在药物发现中的应用。我们概述了生成和维持类器官的当前方法，考察了其在疾病建模、药物筛选和安全性评估方面的应用，并考虑了监管方面以及其在药物发现中更广泛应用所面临的挑战。

 

01 介绍

 类在药物研发领域，体外模型发挥着关键作用，为研究细胞对药物的反应提供了明确的实验系统。人类细胞系一直以来都是药物研发的主力，这得益于其相对简单、成本低以及在各研究实验室中易于获取的特点。细胞系通常源自肿瘤，并已被适应在二维塑料表面生长。因此，细胞系无法代表组织结构，也不包含个体器官中所有功能细胞类型。这促使人们探索更接近生理状态的三维培养系统，例如类器官，它们能更精确地模拟体内微环境。与动物实验相比，类器官更具成本效益，能够进行高通量筛选（HTS），同时避免了动物实验中的物种差异和伦理问题。

 过去十年间，类器官研究的数量迅速增长，该技术似乎已准备好开始实现其在药物开发方面的诸多预期。类器官为体外实验提供了模型，能够补充传统的二维人类细胞系和动物模型。

 图 1 | 多能干细胞和组织干细胞来源的人类类器官。 

 

 人类类器官与传统临床前模型的比较

  

02 疾病建模

类器官已被应用于多种疾病领域，包括遗传疾病、癌症和传染病。类器官复制了真实器官的（病理）生理特征，如大脑、肾脏、肝脏、肺和肠。与永生化细胞系相比，类器官展现出复杂的组织结构，具有区域特异性和正确的细胞极性。它们包含成熟的细胞谱系，有助于进行功能检测。值得注意的是，类器官表达关键受体和细胞内成分，能够支持病原体感染，并支持这些病原体的完整生命周期。这些独特特征（总结于上部图表）使类器官在疾病建模中具有重要价值，包括遗传疾病、感染和各种癌症。此外，通过引入诸如免疫细胞等微环境成分，类器官能够模拟和研究炎症性疾病，并为疾病机制和潜在治疗方法提供见解。

 图 2 | 类器官用于疾病建模。

 

遗传性疾病

人类类器官似乎特别适合用于模拟遗传疾病。它们既可以由患者的患病器官活检样本直接获得（患者来源的类器官，简称 PDOs），也可以通过 CRISPR 基因编辑技术对从健康个体获取的类器官进行基因编辑而获得。

代谢紊乱

代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（MASH）是一种肝脏疾病，其特征是肝细胞内脂质堆积引发慢性炎症和纤维化，全球约有 5% 的成年人受其影响。MASH 的风险因素包括营养过剩，或者更罕见的遗传性脂质代谢紊乱。由基因改变（如瘦素或瘦素受体突变，或与脂质代谢相关的基因如 Apoa5、Nr1h4、Pparg、Cebpa 的敲除）或饮食因素（高脂饮食、西式饮食或过量糖分摄入）驱动的 MASH 动物模型被广泛使用。然而，这些动物模型并不适合大规模药物筛选，而且物种间的差异也使得研究结果难以直接应用于人类生理学。

慢性炎症性疾病

对诸如炎症性肠病（IBD）或乳糜泻（CeD）等免疫介导性疾病的建模，需要将类器官与适当的免疫细胞和/或炎症介质相结合。通过基因组和转录组分析，已确定了众多与炎症性肠病（IBD）相关的风险因素。然而，在动物模型中阐明这些因素的主要细胞靶点及潜在机制却颇具挑战性。

癌症

许多癌症类型，如胰腺癌、肝癌和乳腺癌，在动物模型中不会自发形成。即便通过引入特定的癌症突变来实验性地诱导肿瘤，这些模型仍无法完全模拟人类癌症的复杂性和异质性，包括其遗传多样性和免疫环境。

图 3 | 用于疾病建模和药物安全性评估的类器官平台。

 

03 安全性评估 

尽管大多数研究都集中在利用类器官进行药物疗效和疾病建模方面，但其在制药行业的应用如今正在扩展，用于评估药物化合物在多个器官中的安全性。

肝毒性

 肝脏在药物代谢中起着核心作用，肝毒性是导致药物研发失败、上市后撤市或使用受限的主要原因之一。药物性肝损伤（DILI）是药物治疗相关的重要致病和致死原因，其预测和预防仍具有挑战性。

 肾毒性

 由人类多能干细胞衍生的肾脏类器官，尽管仍缺少一些关键转运蛋白和肾小管滤过功能，但能够模拟药物引起的急性肾损伤，这是药物开发中的一个重大安全问题。这些类器官包含肾小球、集合管、肾间质和内皮细胞，并能自我组织成类似肾小球的结构。

 胃肠道毒性

 利用类器官模型对小分子和大分子药物的胃肠道毒性进行更准确的预测，能够显著改善临床前的风险效益评估，并减少药物研发过程中的失败率。一

 中枢神经系统毒性

 药物诱导的神经毒性是候选药物研发终止的一个主要原因，中枢神经系统不良反应被报道导致了 7%至 34%的早期和后期项目终止。类器官为揭示可能无法通过传统方法检测到的毒性机制提供了强大的模型。较简单的系统，如二维细胞培养，可能会忽略依赖于中枢神经系统微环境复杂细胞相互作用的独特毒性机制。

 心脏毒性

 尽管预测性临床前检测方法已得到开发和应用，但心脏毒性仍是导致药物研发失败和上市后撤市的主要原因。由干细胞衍生的心肌细胞和支持细胞类型组成的类心脏器官应能重现心脏组织结构、收缩功能和电生理学等关键特征，从而为预测药物对心脏的影响提供一种替代方法。

  

04 吸收和代谢的检测

预测药物吸收、分布和代谢的能力对于药物开发至关重要，直接影响药物的药代动力学，从而影响治疗候选药物的预期疗效、安全性和剂量。了解这些参数对于优化药物配方、减轻不良反应以及确保临床成功至关重要。肝脏、肠道和肾脏是负责药物吸收、代谢和清除的主要器官，

用于药物代谢的肝类器官

肝脏是药物代谢的主要器官，它促进三个关键过程：某些药物向肝脏的主动摄取、生物转化生成代谢物以及药物和代谢物向胆汁的分泌。目前最先进的体外模型，如短期悬浮的冷冻保存原代肝细胞或肝细胞共培养系统，可用于测定药物的固有清除率。然而，这些模型存在局限性，比如无法完全复制肝脏的代谢和转运表型（原代人肝细胞在培养中会迅速退化）、细胞与培养基的比例欠佳从而影响代谢和转运过程的可测量性，以及评估胆汁分泌的能力有限。

用于药物代谢和转运的肠类器官

早期的概念验证研究已表明，肠道类器官系统有助于更好地理解和预测肠道吸收及代谢情况。

 类器官进行药物吸收、分布、代谢和排泄（ADME）研究

类器官在吸收、分布、代谢和排泄（ADME）领域的应用仍有限。关键挑战包括肝脏和肾脏类器官分化相对不成熟。

 

05 潜在解决方案

如上所述，类器官技术在药物开发中的广泛应用仍面临诸多障碍。其中一个障碍在于，尽管类器官比细胞系复杂得多，但它们仍是一种简化的模型，缺乏真实组织中的关键成分。大多数类器官没有血管，这限制了营养物质和氧气的输送，从而影响其生长、成熟和功能，尤其是在较大的类器官中。另一个主要障碍是类器官培养的变异性，这会导致难以实现可重复性：不同实验室之间的培养方案存在差异。这些局限性反过来又使类器官难以作为高通量筛选和大规模药物测试的标准化模型。

图 4 | 自动化高通量药物筛选策略

 

 

06 监管机构的挑战与机遇

尽管类器官具有诸多优势，但在其能够顺利融入药物研发流程之前，监管机构的认可仍是一大障碍。

类器官在药物安全性测试中的应用

在药物安全性测试中，类器官应用的主要挑战在于模型鉴定、可重复性、临床转化、成本效益优化以及监管机构的认可。为了支持首次人体临床试验，临床前测试通常结合体内和体外模型，以最大限度地提高临床预测性，同时减少动物使用。当需要功能性和生理相关性终点时，类器官可以补充传统的二维细胞培养检测，特别是在解决机制问题方面，但目前监管申报更倾向于使用复杂度较低、通量较高且成本较低的体外工具。

用于药物开发的类器官监管框架

在首次人体临床试验前进行非临床研究的目标是评估产品的药理活性，并确保在 I 期临床试验中健康志愿者或患者的安全。对于人类药物开发，美国食品药品监督管理局（FDA）的规定并未明确要求用于支持临床试验的药物在人体中具有合理安全性的非临床研究的类型或设计（无论是体内、体外还是计算机模拟研究）。尽管动物毒性研究对于识别潜在的人类风险至关重要，但寻找减少动物使用并开发有效替代方法的途径是一项重要工作。2

 

07 结论

在药物开发中使用类器官为临床前研究提供了向更准确、更贴近患者实际情况的模型迈进的巨大飞跃。正如所描述的那样，类器官为重现人体组织的复杂性提供了一个平台，相较于传统的二维细胞培养和动物模型，它能提供更符合生理条件的环境。然而，尽管该领域已取得重要进展，但仍面临诸多挑战。类器官培养的可扩展性和可重复性，尤其是在高通量筛选（HTS）的背景下，仍需进一步改进。这将需要持续开发和验证标准化、自动化的类器官平台，并建立明确的监管框架以促进行业采用。  

 

类器官灌流培养和代谢监测系统—IMOLA

德国cellasys公司生产的灌流式、多参数、实时监测的类器官灌流培养和代谢监测系统—IMOLA，是一种基于生物芯片的微生理参数系统，可以对活细胞/组织/类器官进行连续灌流式培养，搭配自动化微流泵系统进行换液或者加药，可以实现类器官的长时间培养，同时还可以进行代谢学和形态学参数的实时监测，研究药物对活细胞/组织/类器官的影响以及移除药物后的恢复和再生效应。通过生物芯片技术，可以培养大尺寸的组织器官（1cm大小）或者transwell小室培养的组织，以及多器官串联共培养。实时监测活细胞/组织/类器官的多个参数的变化，包括细胞耗氧率（pO2）、细胞产酸率（EAR，pH）、 细胞层的跨膜电阻值（impedance，TEER，[Z]）和培养基的温度（Temperature）。

 

 

 

类器官串联芯片培养系统—HUMIMIC 

德国TissUse GmbH公司专注于类器官培养系统研究22年，推出的HUMIMIC类器官串联芯片培养系统，得到FDA和中国食品药品检定研究院的推荐，并被多个国际知名用户单位认可（包括：阿斯利康，拜耳，辉瑞，宝洁，贝尔斯多夫，联合利华，GSK，MSD等等）。 德国TissUse的HUMIMIC®类器官串联芯片培养系统能够模拟人体内生理环境，包括温度、压力、真空度、微流道循环频率、时间等参数，通过控制单元来控制微流体环境中的复杂条件，针对不同的器官可以单独设置提供相应的培养条件，提供精准的培养和分化环境。 人体生理反应往往涉及更多介质循环和不同组织间相互作用，多器官芯片才能全面反映出机体器官功能的复杂性、完整性以及功能变化，一个相互作用的系统才能更好的模拟整个系统中器官和组织的不同功能。单一类器官无法模拟人体复杂生理学条件下器官间的相互通讯和交流。把多种不同器官和组织培养在芯片上，然后通过微通道连接起来，集成一个相互作用的系统，从而模拟人体中的不同功能器官的交流通讯和互相作用。