行业|“人工胰岛”助力糖尿病治疗!类器官技术再获关注!

2020
05/11

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类器官培养技术在糖尿病领域取得重大进展
前言

类器官(Organoid)是在体外用3D培养技术对干细胞或器官祖细胞进行诱导分化形成,在结构和功能上都类似目标器官或组织的三维细胞复合体。新药研发需要进行漫长的动物试验和临床试验,将创新研究应用于临床治疗是新药上市之路的一大瓶颈。这背后的原因之一在于我们使用的癌症模型往往不能很好地复制肿瘤的组织复杂性与遗传异质性。这解释为何在癌症模型中取得突破的新药分子,最终会在临床试验里折戟沉沙。

 

一、类器官培养技术在糖尿病领域取得重大进展

 

细胞疗法被认为是传统糖尿病治疗的潜在疗法。胰岛细胞和整个胰腺移植可通过外源补充胰岛β细胞来恢复葡萄糖稳态,但是胰腺供体有限。迄今为止,很难通过体外培养从胚胎或成年胰腺中合成新的胰岛β细胞。在三维(3D)条件下培养的小鼠胚胎胰腺祖细胞能实现分化,但不能长期扩增。

 

如何打破供体的局限,获得可用于移植的功能性胰岛β细胞,一直是糖尿病治疗领域的巨大挑战。2020年4月7日,来自国内细胞生物学重点实验室的团队通过对成年小鼠胰岛进行高通量的单细胞转录组测序,发现有一群以表达表面蛋白C受体为标志的新细胞类型(Procr+细胞),这群细胞可以扩增培养,并产生各种有内分泌功能的胰岛细胞,包括胰岛β细胞。相关研究成果发表在《Cell》期刊杂志上。这种“人工胰岛”,不仅在细胞组成和分子特征上与真正的小鼠胰岛十分相似,并且可以快速响应葡萄糖的刺激、分泌胰岛素。它们可以在体外培养20代以上,细胞数量保持指数增长。当把这些体外培养的胰岛类器官移植到糖尿病小鼠体内后,小鼠的血糖水平成功恢复正常。


体外成功培养德胰岛类器官   

 

二、类器官还提供了一种新的疾病动物研究模型

 

传统的抗肿瘤药物研究为CDX模型(cell-line-derived xenograft)将肿瘤细胞系接种在免疫缺陷小鼠皮下。由于细胞系并不能很好地还原人体内肿瘤组织的异质性,而且经过了几十次传代培养,外界环境对肿瘤细胞进行了“筛选”,肿瘤细胞失去原有的生物学特性。从而使得药效评价结果与临床相似度较低,临床相关性仅5%左右。此外,CDX模型还存在供体来源不足的问题。

 

PDX(Patient-Derived tumor Xenograft,PDX)模型是目前最为接近临床样本的肿瘤模型。通过将病人来源的新鲜肿瘤组织移植到免疫缺陷小鼠体内,可保留原代肿瘤微环境和组织病理学及遗传学特征。实体瘤组织通过手术和活检收集,还有部分研究使用从恶性腹水或胸膜积液。肿瘤可以组织块或单细胞悬液的形式植入,或者与基质凝胶、人成纤维细胞、间充质干细胞组合形式植入。移植的着床部位可为小鼠背部、原发肿瘤的同一器官或者肾脏。

 

虽然PDX模型可以一定程度上模拟出人体肿瘤微环境,却存在移植成功率较低且模型不稳定的问题。如何能够模拟肿瘤细胞与环境中其他成分(成纤维细胞、脂肪细胞)的相互作用,帮助研发人员理解肿瘤的发生、发展、转移以及对药物处理的反应至关重要。

 

类器官一类由干细胞,包括多能干细胞(pluipotent stem cell,PSC)和成体干细胞(adult stem cell, ASC)自我组装的微观三维结构。因其与对应的器官拥有类似的空间组织、保持一些关键特性并能够重现部分生理功能,而被认为是检测人类生物学和疾病方面的新模型。

        

       

由于类器官培养体系简单易操作,时间和金钱成本较低,且具有较高效率,因而得到广大研究人员的亲赖,被Nature Methods评为2017年生命科学领域年度技术。2019年6月《Science》期刊发表了以类器官研究为主题的特刊报道。4篇综述详细阐述了类器官作为人体疾病模型的巨大潜力。研究者认为最大的挑战来源于找到高质量、纯净的生物学材料—干细胞,其次是构建合适的微环境,模拟目标细胞与成纤维细胞﹑免疫细胞的互动。


  

美国国立卫生研究院(NIH)在对美国一流医学中心(如美国哈佛医学院癌症中心、芝加哥大学癌症中心、安德森癌症中心)进行资质复审验收时,是否具备开展类器官培养的条件和能力,成为考核总体实力的重要标准之一。目前,美国国家癌症研究所(NCI)、英国癌症研究中心(Cancer Research UK)、人类癌症模型计划(HCMI)等权威机构正在联合构建一个全球性的包括类器官在内的恶性肿瘤模型库。

 

国内方面,复旦大学遗传工程国家重点实验室类器官研究中心拥有GMP屏障400平方米,配备高通量类器官培养及表型分析设备,并积累了国际领先的技术实力。通过与复旦大学附属医院合作,已建立肠、肝、肺、子宫内膜等正常组织类器官和肿瘤类器官种质资源库。

 

三、3D细胞培养和高通量药物筛选市场现状

 

类器官研究涉及的3D细胞培养产业、3D细胞高通量药物筛选技术实现了很快的发展。据Meticulous Research Analysis的相关数据,2016年,3D细胞培养技术在全球细胞分析检测市场占据了约9.3%的份额。2017年市场价值8.181亿美元,在预计期内将以8.7%的年复合增长率增长,2022年达到12.426亿美元。

 

美国在全球3D细胞市场贡献了约34.8%的主要份额,中国在全球3D细胞市场占5%的份额,远不及美国,但预计未来五年中国将以11.8%的年复合增长率增长,成为年复合增长率最高的国家,具备市场发展潜力。

 

3D细胞高通量筛选(High throughput screening,HTS)技术是以微板形式作为实验工具载体,以自动化操作系统执行试验过程,以灵敏快速的检测仪器采集实验结果数据,以计算机分析处理实验数据,在同一时间检测数以千万的样品,并以相应数据库支持运转的技术体系,它具有微量、快速、灵敏和准确等特点。国内主要的研发企业以CRO公司如辉源生物,美迪西生物等为主。辉源生物是一家以提供微孔板技术为基础的药理研发服务的领军企业,2017年1月被国内最大的CRO公司药明康德收购。

        

一种抗病毒药物的3D细胞HTS流程       


结语


尽管目前有关类器官的研究很多,优势明确,但大多数均停留在基础研究及实验室阶段。究其原因,除了该培养技术费时费力、要求较高外,培养所用的特殊基质及生长因子的价格昂贵,也是制约其临床应用的重要因素,不久的将来更加廉价、易备的培养材料和更优化的培养方式将利于类器官培养模型更快、更广泛地用于临床转化中,尽早惠及更多的患者。


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作者 刘玲玉 |  编辑 杨柳荣  |  排版 Elsa
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