胚胎发育是受精卵精确调控后逐步分化及细胞自组装的过程，在体外也可以通过人干细胞分化来控制特定谱系的产生。若提供合适的三维支架和营养成分，从多能干细胞分化出来的细胞将自组织形成组织特异性器官结构。

       2009年，荷兰Hubrecht研究所的Hans Clevers等人使用来自小鼠肠道的成体干细胞培育出世界首个肠道类器官，开创了类器官研究的时代。发展至今，类器官领域研究成果不断，许多新型类器官和更复杂的类器官不断涌现，为新药研发、精准治疗、再生医学等领域带来了更强大的研究工具。

       本期，我们邀请到大脑类器官研究专家卜迁副教授，介绍类器官相关概念及其在疾病研究和药物开发中的潜在应用。

       BIO

     卜迁博士

       成都华西海圻医药科技有限公司细胞与免疫学部部长，四川大学华西公共卫生学院副教授，美国威斯康星州立大学（UW-Madison）博士后，四川省"千人计划"特聘专家、四川省学术和技术带头人后备人选、中国毒理学会生物技术药物与安全性评价专业委员会副秘书长。

       致力于利用人多能干细胞重编程技术、基因编辑技术及干细胞分化类器官技术，研究大脑发育的分子机制、神经精神疾病的发病机理和治疗手段、神经毒理研究等。发表学术论文40余篇，主持国家自然科学基金、四川省科技厅重点研发项目等10余项。

       类器官（Organoid）是利用干细胞直接诱导生成的3D细胞模型，并且具备来源组织的一些关键特性。在体外培养的类器官系统包括一个自我更新的干细胞群，能够分化出多个器官特异性的细胞类型，与对应的器官拥有相似的组织结构，并能重现对应组织器官的部分功能，从而提供一个高度相似的生理系统用于科学研究。

       根据其来源，类器官可分为两大类型，一类是源自多能干细胞分化的类器官，另一类是源于活体组织经过消化后3D培养形成的成体类器官。

       前者中的多能干细胞来源又分为诱导多能干细胞和胚胎干细胞。后者由于需要获取人体的活体组织，因此目前最主要的应用是肿瘤类器官模型的建立。

       这类类器官来源于肿瘤患者的手术标本，通过消化和在特殊环境中培养，形成具有3D结构的细胞模型，能完整的保存肿瘤的组织学及基因组特性，可用于肿瘤患者个性化治疗方案研究和肿瘤药物的评价。

       肿瘤类器官的出现实现了精准医疗在肿瘤治疗领域的应用。手术获取患者的肿瘤组织，在体外培养形成3D类器官模型，在该模型上可评价不同药物组合方案对该肿瘤患者的潜在治疗效应。由于肿瘤类器官的培养周期短，可以提高肿瘤患者进行药物治疗的有效性。

       肿瘤类器官在肿瘤药物开发过程中也发挥着重要作用。

       过去，研究人员将人类肿瘤移植进小鼠宿主，形成人源性异种移植（PDX）动物模型，利用这些"替身"测试相关疗法，以期为病人的特定癌症量身定制治疗计划。

       现在，综合考虑PDX的成功率、成本以及模拟真实性等多方面要素，研究人员开始将患者手术获取的肿瘤组织进行体外细胞培养，培育出患者来源的类器官（PDO）模型，进行肿瘤药物的筛选和评价。PDO模型能够维持肿瘤组织的生理结构和功能特点，并保持肿瘤细胞在人体内的重要生物学特征，临床相关性高，从多角度促进肿瘤药物的开发变得更加精准高效。目前，多家国内外制药企业和研究机构建立了PDO研究平台，将PDO模型应用于肿瘤药物的早期发现。

       根据2016年美国生物技术创新组织机构(Biotechnology Innovation Organization, BIO）发布的2006-2015年临床研发成功率数据，1103个公司的7455项临床试验中，从新药进入临床I期开始到最后成功获批上市的概率仅为9.6%。

       其中，在精神神经疾病药物的研究中，阿尔兹海默症（AD）治疗药物在2002-2012年间，高达99.6%通过临床前评价进入临床试验的候选药物都失败了。

       这个结果提示我们，现有的神经疾病动物模型不足以反映人类神经系统的复杂结构、生理功能及病理特征，导致通过临床前动物实验模型评价的药物，在临床试验中出现了极高的失败率。大脑类器官既可以模拟神经退行性疾病特性，对自闭症、郁抑症、精神分裂症等精神疾病也能进行模拟，为神经精神疾病药物评价提供了具有潜力的评估模型。

       现阶段神经科学研究水平远远落后于其他学科，"记忆储存在大脑何处，意识是如何产生的，大脑究竟由多少种细胞构成"，很多神经系统的根本问题仍扑朔迷离。由于神经系统中的分子生物学和细胞生物学研究不够深入，至今神经生物学家对人类的高级意识行为研究还未突破。

       卜迁博士所在的GLP中心研究团队利用人干细胞分化大脑类器官模型，聚焦神经毒理学、神经药理学的研究。

       他认为，大脑类器官模型对神经精神疾病模型的建立和药物研发具有重大意义。首先，大脑是人类身体中最精密、最复杂的器官，传统的小鼠大脑模型与人脑相比，无论在脑容量、脑结构还是神经功能上都相差甚远，可见使用小鼠模型研究神经精神疾病并不十分合理。

       而神经精神疾病患者脑组织获取十分困难，一是因为伦理方面的挑战，二是原代神经组织培养技术十分复杂，在实验室中难以长期大规模培养。因此大脑类器官模型的建立为这类疾病治疗药物的研发提供了可能性。

       大脑类器官由人多能干细胞分化而来，通过培养条件的改变和一些小分子抑制剂的作用，使其模拟在母体中的发育过程，首先形成类似于外胚体的神经小球——拟胚体（EB）。

       对EB进行扩展后，在成熟培养系统中，随着其体积的增加，细胞类型也逐步改变走向成熟。对培养得到的3D大脑类器官进行切片，以荧光染色法让不同种类的细胞得以可视化呈现，可以发现其中的各类细胞并不是随机无序排列的，而是通过自组装过程呈现出脑室区的结构。通过继续培养，这些3D细胞团还能模拟形成大脑皮层结构，得到外亚脑室区(Outer Subventricular zone, OSVZ)等人脑中特异的结构。此外，大脑类器官还具有星形胶质细胞、少突胶质细胞等。

       大脑类器官既具有多种细胞类型，又具备自我组装的能力和3D形态，完美模拟了人大脑的结构，但能否模拟其生理功能呢？

       通过MEA试验发现，培养60天以上的大脑类器官能够产生电活动，200天以上的脑类器官能够产生与35周早产儿的脑电波类似的场电位，一定程度上标志着脑类器官的成熟。

       "据卜迁博士介绍，现有的大脑类器官模型培育至成熟一般需60-100天不等，更有培养到200天以上的案例。但这和人类真实大脑长达几年的发育成熟期相比，大脑类器官还远不能媲美真实人脑。除了成熟度限制外，大脑类器官的结构不完整，缺少营养物质供给、氧气供应以及小胶质细胞等关键细胞类型等；也无法模拟器官中不同区域之间的相互作用。此外，类器官模型评价方法还有行业标准，类器官向产业化迈进还有一段漫长之路。"

       美国在线科学社区Technology Networks在2021年3月18日发表文章称，加州大学圣地亚哥分校HUMANOID卓越研究中心通过类器官疾病模型测试候选药物，作为药物"0期"（Phase 0）临床试验的一部分，来降低药物开发失败率。

       "据卜迁博士介绍，0期是指在在动物试验完成后，在启动人体临床试验前，加入的类器官药物测试试验环节。0期临床试验作为药物临床前有效性和安全评价的延伸，发挥着临床前研究向临床阶段过渡的桥梁作用，可有效避免因动物与人的差异导致的受试者不良反应。基于'替代、减少、优化'的3R原则（Replacement, Reduction, Refinement, "3Rs"），类器官模型对临床前研究的补充和部分替代也可降低不必要的动物及其它资源的浪费。"

       此前，国际上首个明确停止动物试验的机构是美国环境保护署（EPA）。它在2019年9月10日发布了减少动物试验的阶段性目标，包括：到2025年，将哺乳动物研究的需求和资助减少30%；到2035年，取消所有哺乳动物的研究申请和资助；2035年之后，任何哺乳动物的研究申请和资助必须case-by-case，通过审批才可以开展。

       EPA署长Andrew Wheeler还签署了一份指令，明确在化学品安全评估中，需要优先考虑减少动物测试，要求更积极的采用动物替代方法。指令一经发布，引起多方热烈讨论。很多权威学者也呼吁，动物实验的结果对人体反应不具参考价值，并且有可能对人类的健康带来危害，完全可以被大量的尖端技术及非动物实验所取代。

       目前，国际国内也有很多企业聚焦类器官作为药物测试平台，很多国际制药巨头也在跟进类器官药物测试项目。今年新发布的《基因治疗产品非临床研究与评价技术指导原则（试行）》中指出，基因治疗产品非临床药理学研究"如果没有合适的动物模型满足试验需要，应当依据科学原理开发相应的动物模型或使用更完善的体外实验系统、替代性模型（例如类器官）开展试验"。我们可以预见，未来将有越来越多的采用类器官测试药物的数据作为申报资料而出现。

       成都华西海圻医药科技有限公司（简称"华西海圻"）是成都本土培育的药物临床前安全性评价行业中的领先者，一直以领先的技术占领市场战略高地。早在2016年，华西海圻就做出了将类器官技术与药物安全性评价应用相结合的布局，以实现在体外细胞水平精准模拟人多种器官结构和功能，并进行药物/毒物毒性评价和分子机理研究，创造未来减少动物使用、精准评价人特有靶点药物有效性和安全性的潜在方法。

       "谈到华西海圻选择从大脑类器官切入的原因，卜迁博士表示，神经系统疾病的治疗药物市场需求迫切，但大脑的高度复杂性使其与其他疾病相比，临床前评价难度更加凸显。华西海圻岑小波教授团队在神经科学领域深耕多年，具有专业的知识背景、扎实的研究基础及转化经验，他们希望能够另辟蹊径，借助大脑类器官模型的优势，既受创新驱动在学术研究领域实现理论突破，又受需求导向在产业领域承担一定责任和担当。"

       卜迁博士在美国博士后工作期间，就从事人干细胞诱导分化神经细胞及基因编辑系统研究，于2017年被华西海圻引进回国。当时正逢重大新药创制国家科技重大专项的支持，项目研究涵盖了3D细胞、类器官及器官芯片等内容。在国家资金的大力支持下，华西海圻建立了类器官平台，卜迁博士也在华西海圻的团队中承担了大脑类器官研究平台的建设任务。

       目前，华西海圻的类器官研究团队已经成功构建了基于人干细胞分化的大脑、血管、肠道等多种器官模型，实现了在复杂3D体外培养系统中化合物的毒性评价技术，结合干细胞基因编辑、类器官透明化、单细胞测序等前沿技术手段，丰富了毒理学评价技术体系，为毒理学评价新技术的应用开拓了思路。

      "谈到西南地区类器官技术的产业化现状时，卜迁博士表示，西南地区有一些研究型团已萌发了构建类器官、器官芯片的产业化布局，但由于人干细胞分化的类器官模型还有很多局限性，且国内市场需求还未达到产业化应用规模，因此鲜有成都本土企业涉足。但他认为，从药物研发的角度来看，类器官技术将是未来疾病研究、药物开发以及再生医学领域的重要技术手段，也希望不负国家和地方政府的鼎力支持，能够在'海圻舰'上贡献出自己的力量，加快相关研究成果的转移转化。"

       成都华西海圻医药科技有限公司是1999年科技部首批的国家级药物临床前评价研究中心，是目前国内规模最大、全面国际接轨的GLP中心之一，是我国重要的新药临床前评价研究和技术创新基地，是四川省、成都市重大产业技术平台，四川省国际合作示范基地，四川省高新技术企业、"博士后工作站"。中心同时通过美国FDA GLP现场核查、OECD GLP认证、国际AAALAC认证、美国CAP认证，ISO14000认证、CFDA GLP认证，构建了国际权威的LIMS数据系统，全面应用于实验室数据管理，实现研究数据得到国际双边或多边认可，总体研究水平达到国内领先、国际先进水平。中心在药物临床前药理毒理学评价方面应用基础和技术实力雄厚，完成千余个新药全生物药（抗体、疫苗、蛋白、肽类、细胞产品、基因治疗药物等）、化药、中药等各类药物的全套临床前研究，其中I类新药400余个，支持国际注册新药百余个。近三年，每年完成约150个药物（其中创新药物约120个）临床前安全性评价，已成为国创新药物临床前评价重要的技术支撑体系。累计完成国外委托试验600余项。