七、类器官的应用

类器官发展开始于2013年，自此之后呈逐年上升趋势。类器官培养使研究人体发育提供了不受伦理限制的平台，为药物筛选提供了新平台，也是对现有2D培养方法和动物模型系统的高信息量的互补。此外，类器官为获取更接近自然人体发育细胞用于细胞治疗成为可能。随着类器官培养系统以及其实验开发技术的不断发展，类器官应用到了各大研究领域。

类器官研究应用领域主要有以下方面：

(1)个性化医疗：肿瘤类器官临床个性化药敏检测，预测患者治疗反应，为肿瘤患者精准试药；与共培养结合，用于肿瘤免疫治疗；

(2)药物研发：基于类器官的高通量药物筛选、药物安全性测试；

(3)疾病研究：基于类器官的肿瘤发生发展机制研究、肿瘤微环境研究等；

(4)再生医学：如肝细胞移植、胰岛移植、人工子宫等。

图｜类器官的应用

（一）建立疾病模型

类器官模型最显著的优势是人源性和近生理性，可以体外模拟多类型器官特异性疾病状态，如肺水肿、血栓形成、哮喘、慢阻肺和炎症性肠病等，从而对疾病病理学、治疗干预疗效以及潜在脱靶效应进行机制研究，有效降低临床开发阶段的失败率，同时也可以在精准医疗方面发挥作用，指导患者的临床用药。

遗传病患者来源的类器官为研究复杂的多基因疾病、尚未阐明的风险基因位点和表型高度异质性的疾病机制提供可能。研究人员可以通过类器官来模拟人类发育和疾病，研究源自干细胞的人体组织且难以通过动物模型模拟的人类疾病分析，仅需少量的起始物质即可培养类器官。

PDO可以取自肿瘤发展过程中的任何阶段，而且只需要一小部分肿瘤组织即可在体外进行培养和扩增。研究人员已经在肝癌、胰腺癌和结肠癌肝转移组织中，通过穿刺获得活检，成功的在体外进行类器官培养。甚至能够将前列腺癌患者的循环肿瘤细胞在体外培养成类器官。也有研究人员从尿路和支气管肺泡的正常细胞中成功培养类器官，但是目前还不清楚这些培养方法能否适用于这些组织来源的肿瘤类器官培养。

（二）药物研究

绝大多数候选药物在Ⅰ期试验进行到临床批准过程中被中止，其中器官毒性是主要原因，最常见的是肝脏和肾脏药物性损伤。目前常用的细胞和动物实验结果并不能顺利转化到临床，而人源性类器官为药物毒性预测提供更精确的手段。

通过微流控和器官芯片内部结构的精密设计和控制，类器官芯片可接近真实地反映出药物在体内的动态变化规律，及其对器官带来的影响，克服了动物模型与人体因种属不同而出现的较大偏差，从而助力直观地感知并评价新药安全性和有效性。

类器官芯片主要应用是药物研发临床前研究，包括从早期生物标志物发现、靶点确证、先导化合物优化、PK/PD研究以及临床前药效学和毒理学研究等不同阶段。以肿瘤类器官芯片为代表的疾病模型，可以用于药效评估。

在体外验证阶段，类器官芯片比单一类器官评价体系能够构建肿瘤微环境、血管化等更仿生的模型，这就使得依赖ADCC、CDC效应的小分子/大分子药物、免疫抑制剂药物、抗血管生成类药物以及靶向CAF药物的评价成为可能，极大提高模型适用范围。类器官芯片依托自身成本、通量优势比基因工程鼠模型、细胞系/人源肿瘤异种移植模型等体内药效评价模型能为药物的体内药效学验证阶段进行更好的优化。

同时两者可以有效结合，将类器官芯片模型移植到动物体内，在确保同一样本来源的前提下，开展体内药效学研究。

此外，类器官还可用于药物筛选。在药物研究中，尤其是针对罕见病或缺乏大规模临床试验时，类器官能够为深度测序和功能测试、突变位点或表型分析提供足够资源，是药物毒性预测、新药筛选、个体化治疗的较好模型。

类器官应用于药筛的头部公司，需要具备泛癌种培养能力以及达到商业转化水平的稳定性的水平，有严格的质量控制和标准化体系，且在培养涉及的仪器和鉴定筛选平台方面需要往自动化方向靠拢述。

药筛的标准化包括取样标准化和全程自动化。

标准化第一步即类器官取样。肿瘤组织取样的部分非常关键，初始样本量及细胞质量直接决定了类器官培养成功率。样本需要高活性和干性的细胞，对于肿瘤组织来说，最好是来源于干细胞。

外层细胞处于分化终末期，干性较差，而位于内层的细胞常常处于缺氧坏死状态，活性较差。以胰腺癌为例，只有小于20%的患者能够通过根治性手术切除获得肿瘤切除样本。余下高达80%的患者发现即为中晚期，无法通过手术获得足量组织样本，类器官样本常常通过超声内镜引导下的细针穿刺活检(EUS-FNA)获取。

EUS-FNA穿刺获得的样本量较手术中穿刺的更少，同时还与临床操作医生经验相关。如果穿刺样本量很少、活细胞数量较少、或者没有穿刺到阳性细胞群，都会使类器官构建面临较大挑战。

对于在肿瘤的什么病灶取什么样本、样本需要满足什么样的条件等需要建立严格的标准以保证后续类器官培养的成功。

类器官从取样到药筛每一个步骤都需要严格把控，对于标准化有很高要求，可以推测未来类器官培养环节也将提高自动化程度，尽可能提高类器官可重复性。类器官需要在凝胶状Matrigel中嵌入生长，物理参数和生长因子可及性的局部差异可能带来类器官在形状、大小和分布等方面的差异性，而临床上药筛类器官的应用需要达到较高均一性。

在类器官鉴定中，采取人工智能判读对类器官活性、大小等主要参数进行评估，可以同时保证有效性和时效性，进一步缩短整个类器官药筛流程周期。

（三）精准医疗

类器官技术用于精准治疗，是指通过体外对类器官进行药物筛选和基因型分析，制定适合个体的治疗药物和方法。不同肿瘤PDOs对传统和正在研发的药物所产生的反应不同，大部分PDOs所展现的治疗反应和相对应的病人刚开始对治疗的反应是一致的。

在精准医学应用中，患者衍生的类器官被证明为有价值的诊断工具。在进行治疗之前，采用从患者样本来源的类器官筛查患者体外药物反应，为药物治疗提供指导并预测治疗结果。

对于癌症精准治疗而言，体外模型必须在生物学特性、基因突变谱上与体内肿瘤保持一致，而且能够维持高度异质性和基因型稳定性，肿瘤类器官的出现为癌症精准医疗创造了新的机遇。

肿瘤异质性是导致抗肿瘤药物无效或耐药复发的主要原因之一，即使是基因突变谱相同的患者，其药物反应也各异。另外，一些罕见突变，也需要进行药物疗效个体化测试，因此越来越多的研究建立了肿瘤类器官生物库进行抗肿瘤药物高通量筛选和预测药物反应。

肿瘤类器官在精准医疗领域的应用已经过了多项临床队列研究验证。国内外目前共有超过40项类器官临床相关研究，研究单位和临床注册主体多为医院。在中国的注册临床中，类器官以化疗药敏感性检测作为主流应用，类器官用于检测靶向药和免疫治疗敏感性在未来还有极大发挥空间和应用潜力。

药物筛选和基因型分析可以结合使用。基因型分析从基因层面检测出患者的靶点突变情况和潜在药物敏感靶点，为患者提供初步用药选择，但无法保证完全的临床疗效，这一不确定性可通过类器官进行排查。

比较临床常用药物检测方法，在获得性耐药和剂量推荐方面PDTO具有显著优势：(1)基因检测通常只能通过数据推测靶向药物，但突变不等于表型；(2)基因检测结果解读较复杂，易导致假阴或假阳性解读，而PDTO表型检测的优点是所见即所得，简便快捷地通过表型检测数据可解释基因突变的临床意义。

PDTO药敏检测能在尽量短时间内，找到有针对性的、综合的内科治疗方案并推荐合适的剂量，提高疗效并减少毒副作用，提高治愈率、存活率和生活质量，减轻患者经济负担。

基于此，越来越多的临床医生选择通过肿瘤类器官对放化疗、靶向治疗等药物敏感性检测，将检测结果作为用药重要参考，制定更有效的逆转癌症多药耐药性的策略，结合自身实际经验和治疗指南来决定适合患者的最优临床治疗方案，有力地帮助临床医生探索针对难治性、复发性肿瘤的个性化诊疗方案，助力攻克难治性癌症。

图｜临床药物检测方法比较

图｜类器官个性化治疗流程

（四）组织和器官再生

再生医学的主要目标是在体外用健康组织替代某一功能或结构受损的器官，实现无免疫抑制、无并发症和毒性减少，避免因终生抗排斥治疗产生巨额的费用。

虽然现代医学已经能够实现异体移植，尤其在治疗终末期器官衰竭如心脏、肝脏或肾脏中，器官移植仍是临床主要采用的方法，但是存在供体数量严重短缺以及组织排斥等问题，因此寻找新的组织来源十分迫切。类器官能够同基因组织扩增从而用于自体移植，为器官替代策略提供可再生资源。

通过类器官繁殖的干细胞群取代受损或者患病组织，类器官提供自体和同种异体细胞疗法的可行性，未来这一技术在再生医学领域也拥有巨大潜力。使用这项技术，采用CRISPR/Cas9能够纠正体外遗传异常并能够将健康的转基因细胞再次回输入患者体内，并在后期整合入组织内。

（五）干细胞类器官工程

干细胞生物工程技术的进步提高了控制细胞类型，组织和相互作用的能力，而类器官工程正需要通过直接修饰干细胞或控制微环境来操纵每个结构层。

科学家已经开发了更精确的合成环境，通过用信号蛋白修饰基质的生物惰性区域，可以更好地控制干细胞的活性。类器官工程技术对于一些体内环境成分复杂、需要精确建模的发育研究特别有用。

（六）类器官研究热点

类器官研究热点是病人来源的类器官，因为通常用于肿瘤患者的疾病建模、研究与药物筛选，而被称为肿瘤类器官。肿瘤类器官是指将患者活检、穿刺或手术切除组织在基质胶中培养数周得到的类器官，培养之后需要进行评估，以确定类器官和原肿瘤具有一致性，通过基因测序、免疫荧光、HE染色等方法，从形态学、组织病理学以及分子遗传学等多个维度对类器官进行鉴定。

肿瘤类器官与原肿瘤在结构、病理和活性上高度相似，保留了肿瘤异质性，更接近体内微环境，基因表达与体内高度一致，能够缩小与人体差异，培养周期短可进行高通量试验，类器官个体间形态、尺度保持基本均一，为肿瘤发病机理研究、药物筛选、个性化精准医疗、再生医学等领域提供了快速、优良的技术平台。抗肿瘤药物临床药效评估的应用最为广泛，商业化进展最快。

（七）生物医学研究需要多模型整合

类器官培养被认为是进行人体组织实验研究的首选模型，但是类器官和原位组织之间的功能差异对理解真实疾病机制的生理过程有着重要影响，而这些潜在重要差异往往被忽视。

如果由此研究出来的候选途径或机制在开发新疗法之前没有得到验证，那么这些差异可能会付出以患者健康和安全的巨大代价。

因此，类器官模型不能成为唯一，作为对其的制衡，基于原位组织和动物模型的研究仍将是生物医学研究的金标准。这些实验模型能够研究目前类器官无法触及的高阶特征，如复杂的脑回路、动物行为和生理等。

新技术的发展、生物工程的创新和培养技术的改进可以使人类组织长期培养成为可能，从而使功能性基因实验成为可能，但利用基因编辑的创新、细胞型特定病毒和其他可用于研究特定基因的分子工具，经典动物模型、非模型生物和体外培养等方法仍可以很好的用于功能实验研究，它们不应该被类器官模型所取代。

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七、类器官的应用

类器官发展开始于2013年，自此之后呈逐年上升趋势。类器官培养使研究人体发育提供了不受伦理限制的平台，为药物筛选提供了新平台，也是对现有2D培养方法和动物模型系统的高信息量的互补。此外，类器官为获取更接近自然人体发育细胞用于细胞治疗成为可能。随着类器官培养系统以及其实验开发技术的不断发展，类器官应用到了各大研究领域。

类器官研究应用领域主要有以下方面：

(1)个性化医疗：肿瘤类器官临床个性化药敏检测，预测患者治疗反应，为肿瘤患者精准试药；与共培养结合，用于肿瘤免疫治疗；

(2)药物研发：基于类器官的高通量药物筛选、药物安全性测试；

(3)疾病研究：基于类器官的肿瘤发生发展机制研究、肿瘤微环境研究等；

(4)再生医学：如肝细胞移植、胰岛移植、人工子宫等。

图｜类器官的应用

（一）建立疾病模型

类器官模型最显著的优势是人源性和近生理性，可以体外模拟多类型器官特异性疾病状态，如肺水肿、血栓形成、哮喘、慢阻肺和炎症性肠病等，从而对疾病病理学、治疗干预疗效以及潜在脱靶效应进行机制研究，有效降低临床开发阶段的失败率，同时也可以在精准医疗方面发挥作用，指导患者的临床用药。

遗传病患者来源的类器官为研究复杂的多基因疾病、尚未阐明的风险基因位点和表型高度异质性的疾病机制提供可能。研究人员可以通过类器官来模拟人类发育和疾病，研究源自干细胞的人体组织且难以通过动物模型模拟的人类疾病分析，仅需少量的起始物质即可培养类器官。

PDO可以取自肿瘤发展过程中的任何阶段，而且只需要一小部分肿瘤组织即可在体外进行培养和扩增。研究人员已经在肝癌、胰腺癌和结肠癌肝转移组织中，通过穿刺获得活检，成功的在体外进行类器官培养。甚至能够将前列腺癌患者的循环肿瘤细胞在体外培养成类器官。也有研究人员从尿路和支气管肺泡的正常细胞中成功培养类器官，但是目前还不清楚这些培养方法能否适用于这些组织来源的肿瘤类器官培养。

（二）药物研究

绝大多数候选药物在Ⅰ期试验进行到临床批准过程中被中止，其中器官毒性是主要原因，最常见的是肝脏和肾脏药物性损伤。目前常用的细胞和动物实验结果并不能顺利转化到临床，而人源性类器官为药物毒性预测提供更精确的手段。

通过微流控和器官芯片内部结构的精密设计和控制，类器官芯片可接近真实地反映出药物在体内的动态变化规律，及其对器官带来的影响，克服了动物模型与人体因种属不同而出现的较大偏差，从而助力直观地感知并评价新药安全性和有效性。

类器官芯片主要应用是药物研发临床前研究，包括从早期生物标志物发现、靶点确证、先导化合物优化、PK/PD研究以及临床前药效学和毒理学研究等不同阶段。以肿瘤类器官芯片为代表的疾病模型，可以用于药效评估。

在体外验证阶段，类器官芯片比单一类器官评价体系能够构建肿瘤微环境、血管化等更仿生的模型，这就使得依赖ADCC、CDC效应的小分子/大分子药物、免疫抑制剂药物、抗血管生成类药物以及靶向CAF药物的评价成为可能，极大提高模型适用范围。类器官芯片依托自身成本、通量优势比基因工程鼠模型、细胞系/人源肿瘤异种移植模型等体内药效评价模型能为药物的体内药效学验证阶段进行更好的优化。

同时两者可以有效结合，将类器官芯片模型移植到动物体内，在确保同一样本来源的前提下，开展体内药效学研究。

此外，类器官还可用于药物筛选。在药物研究中，尤其是针对罕见病或缺乏大规模临床试验时，类器官能够为深度测序和功能测试、突变位点或表型分析提供足够资源，是药物毒性预测、新药筛选、个体化治疗的较好模型。

类器官应用于药筛的头部公司，需要具备泛癌种培养能力以及达到商业转化水平的稳定性的水平，有严格的质量控制和标准化体系，且在培养涉及的仪器和鉴定筛选平台方面需要往自动化方向靠拢述。

药筛的标准化包括取样标准化和全程自动化。

标准化第一步即类器官取样。肿瘤组织取样的部分非常关键，初始样本量及细胞质量直接决定了类器官培养成功率。样本需要高活性和干性的细胞，对于肿瘤组织来说，最好是来源于干细胞。

外层细胞处于分化终末期，干性较差，而位于内层的细胞常常处于缺氧坏死状态，活性较差。以胰腺癌为例，只有小于20%的患者能够通过根治性手术切除获得肿瘤切除样本。余下高达80%的患者发现即为中晚期，无法通过手术获得足量组织样本，类器官样本常常通过超声内镜引导下的细针穿刺活检(EUS-FNA)获取。

EUS-FNA穿刺获得的样本量较手术中穿刺的更少，同时还与临床操作医生经验相关。如果穿刺样本量很少、活细胞数量较少、或者没有穿刺到阳性细胞群，都会使类器官构建面临较大挑战。

对于在肿瘤的什么病灶取什么样本、样本需要满足什么样的条件等需要建立严格的标准以保证后续类器官培养的成功。

类器官从取样到药筛每一个步骤都需要严格把控，对于标准化有很高要求，可以推测未来类器官培养环节也将提高自动化程度，尽可能提高类器官可重复性。类器官需要在凝胶状Matrigel中嵌入生长，物理参数和生长因子可及性的局部差异可能带来类器官在形状、大小和分布等方面的差异性，而临床上药筛类器官的应用需要达到较高均一性。

在类器官鉴定中，采取人工智能判读对类器官活性、大小等主要参数进行评估，可以同时保证有效性和时效性，进一步缩短整个类器官药筛流程周期。

（三）精准医疗

类器官技术用于精准治疗，是指通过体外对类器官进行药物筛选和基因型分析，制定适合个体的治疗药物和方法。不同肿瘤PDOs对传统和正在研发的药物所产生的反应不同，大部分PDOs所展现的治疗反应和相对应的病人刚开始对治疗的反应是一致的。

在精准医学应用中，患者衍生的类器官被证明为有价值的诊断工具。在进行治疗之前，采用从患者样本来源的类器官筛查患者体外药物反应，为药物治疗提供指导并预测治疗结果。

对于癌症精准治疗而言，体外模型必须在生物学特性、基因突变谱上与体内肿瘤保持一致，而且能够维持高度异质性和基因型稳定性，肿瘤类器官的出现为癌症精准医疗创造了新的机遇。

肿瘤异质性是导致抗肿瘤药物无效或耐药复发的主要原因之一，即使是基因突变谱相同的患者，其药物反应也各异。另外，一些罕见突变，也需要进行药物疗效个体化测试，因此越来越多的研究建立了肿瘤类器官生物库进行抗肿瘤药物高通量筛选和预测药物反应。

肿瘤类器官在精准医疗领域的应用已经过了多项临床队列研究验证。国内外目前共有超过40项类器官临床相关研究，研究单位和临床注册主体多为医院。在中国的注册临床中，类器官以化疗药敏感性检测作为主流应用，类器官用于检测靶向药和免疫治疗敏感性在未来还有极大发挥空间和应用潜力。

药物筛选和基因型分析可以结合使用。基因型分析从基因层面检测出患者的靶点突变情况和潜在药物敏感靶点，为患者提供初步用药选择，但无法保证完全的临床疗效，这一不确定性可通过类器官进行排查。

比较临床常用药物检测方法，在获得性耐药和剂量推荐方面PDTO具有显著优势：(1)基因检测通常只能通过数据推测靶向药物，但突变不等于表型；(2)基因检测结果解读较复杂，易导致假阴或假阳性解读，而PDTO表型检测的优点是所见即所得，简便快捷地通过表型检测数据可解释基因突变的临床意义。

PDTO药敏检测能在尽量短时间内，找到有针对性的、综合的内科治疗方案并推荐合适的剂量，提高疗效并减少毒副作用，提高治愈率、存活率和生活质量，减轻患者经济负担。

基于此，越来越多的临床医生选择通过肿瘤类器官对放化疗、靶向治疗等药物敏感性检测，将检测结果作为用药重要参考，制定更有效的逆转癌症多药耐药性的策略，结合自身实际经验和治疗指南来决定适合患者的最优临床治疗方案，有力地帮助临床医生探索针对难治性、复发性肿瘤的个性化诊疗方案，助力攻克难治性癌症。

图｜临床药物检测方法比较

图｜类器官个性化治疗流程

（四）组织和器官再生

再生医学的主要目标是在体外用健康组织替代某一功能或结构受损的器官，实现无免疫抑制、无并发症和毒性减少，避免因终生抗排斥治疗产生巨额的费用。

虽然现代医学已经能够实现异体移植，尤其在治疗终末期器官衰竭如心脏、肝脏或肾脏中，器官移植仍是临床主要采用的方法，但是存在供体数量严重短缺以及组织排斥等问题，因此寻找新的组织来源十分迫切。类器官能够同基因组织扩增从而用于自体移植，为器官替代策略提供可再生资源。

通过类器官繁殖的干细胞群取代受损或者患病组织，类器官提供自体和同种异体细胞疗法的可行性，未来这一技术在再生医学领域也拥有巨大潜力。使用这项技术，采用CRISPR/Cas9能够纠正体外遗传异常并能够将健康的转基因细胞再次回输入患者体内，并在后期整合入组织内。

（五）干细胞类器官工程

干细胞生物工程技术的进步提高了控制细胞类型，组织和相互作用的能力，而类器官工程正需要通过直接修饰干细胞或控制微环境来操纵每个结构层。

科学家已经开发了更精确的合成环境，通过用信号蛋白修饰基质的生物惰性区域，可以更好地控制干细胞的活性。类器官工程技术对于一些体内环境成分复杂、需要精确建模的发育研究特别有用。

（六）类器官研究热点

类器官研究热点是病人来源的类器官，因为通常用于肿瘤患者的疾病建模、研究与药物筛选，而被称为肿瘤类器官。肿瘤类器官是指将患者活检、穿刺或手术切除组织在基质胶中培养数周得到的类器官，培养之后需要进行评估，以确定类器官和原肿瘤具有一致性，通过基因测序、免疫荧光、HE染色等方法，从形态学、组织病理学以及分子遗传学等多个维度对类器官进行鉴定。

肿瘤类器官与原肿瘤在结构、病理和活性上高度相似，保留了肿瘤异质性，更接近体内微环境，基因表达与体内高度一致，能够缩小与人体差异，培养周期短可进行高通量试验，类器官个体间形态、尺度保持基本均一，为肿瘤发病机理研究、药物筛选、个性化精准医疗、再生医学等领域提供了快速、优良的技术平台。抗肿瘤药物临床药效评估的应用最为广泛，商业化进展最快。

（七）生物医学研究需要多模型整合

类器官培养被认为是进行人体组织实验研究的首选模型，但是类器官和原位组织之间的功能差异对理解真实疾病机制的生理过程有着重要影响，而这些潜在重要差异往往被忽视。

如果由此研究出来的候选途径或机制在开发新疗法之前没有得到验证，那么这些差异可能会付出以患者健康和安全的巨大代价。

因此，类器官模型不能成为唯一，作为对其的制衡，基于原位组织和动物模型的研究仍将是生物医学研究的金标准。这些实验模型能够研究目前类器官无法触及的高阶特征，如复杂的脑回路、动物行为和生理等。

新技术的发展、生物工程的创新和培养技术的改进可以使人类组织长期培养成为可能，从而使功能性基因实验成为可能，但利用基因编辑的创新、细胞型特定病毒和其他可用于研究特定基因的分子工具，经典动物模型、非模型生物和体外培养等方法仍可以很好的用于功能实验研究，它们不应该被类器官模型所取代。

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