DRPP科研工作台上新科研工具，从文献检索到参考文献格式调整：去使用科研工作台>>

本文整理自JAMA一篇报道，原标题是“A Seismic Shift From Animal to “Human-Based” Research Is Underway—Here’s What to Know About Organoids”

两年前，研究人员启动了一项抗癌药物的3期临床试验，该药物是利用肿瘤类器官（一种从患者恶性细胞中培养出的微型“培养皿中的肿瘤”）发现并筛选出来的。为了锁定最终药物（一种名为petosemtamab的双特异性抗体，正在头颈癌和结直肠癌中进行检测），科学家们在患者来源的类器官中筛选了500多种潜在疗法，最终选出了那种能抑制微型肿瘤、又不影响非癌类器官的药物。这款在研药物展现出了巨大的潜力，美国FDA已授予其两项“突破性疗法”认定。

自2009年荷兰学者Hans Clevers博士及同事创建出第一个类器官“微型肠道”以来，这些实验室培养的、不超过圆珠笔尖大小的结构，便吸引了学术界、产业界和政府领域众多科学家的广泛关注。

经过过去十年的重大进展，研究人员现在可以利用这些肿瘤、大脑、心脏、肺、皮肤以及几乎人体所有器官的微型模型，更好理解人类健康、发育和疾病。支持者表示，除了能减轻动物实验的伦理担忧之外，由人类肿瘤或干细胞培育出的类器官，比长期以来作为药物研发替代模型的小鼠、大鼠、猴子及其他实验动物，更能代表人类及其所患的疾病。

美国NIH项目协调、规划和战略计划副主任Nicole Kleinstreuer博士表示：“动物模型从来只是我们真正想要理解和改善其生物学特性的物种的替代品，很大程度上也因为这一点，临床前模型与临床成功之间存在巨大的转化鸿沟。”

她认为，类器官可以帮助填补这一鸿沟。如今，类器官被用于模拟疾病、研究人体发育、识别和筛选新疗法、测试化学物或药物的毒性，以及评估药物疗效。在Kleinstreuer所称的“分水岭时刻”，生物医学领域正将这些实验室样本与日益强大的计算工具相结合。

例如，研究人员可以利用人工智能（AI）和机器学习来设计可重复的类器官模型制备方案。在下游，药物研发者可以利用这些工具来分析类器官及其他基于人体模型产生的大量数据。一个期望是，这将带来更高效、更成功的临床试验，并最终产生更有效、更可负担且副作用更少的药物。

动物福利是一个重要考量，但或许不是最重要的因素。NIH毒理学专家Warren Casey博士解释称，“这关乎一种更贴近人体的方法，能给我们更好的答案。”

认识到类器官以及以人为中心技术的潜力，英国和美国的卫生与监管机构正在加大对所谓“新方法学”（NAMs）在生物医学研究及新药和生物制品申报中的支持。在美国，NIH于6月成立了由Casey领导的研究创新、验证与应用办公室（ORIVA），旨在减少和替代动物实验，推广包括类器官在内的更多基于人体的方法。去年，NIH还新成立了一个中心，专门致力于开发标准化的类器官模型。

去年11月，一份提交给英国议会的政府政策文件预测，未来医学研究将借助AI、基因组学、类器官和其他三维细胞系统等现代工具包，发生重大变革。“现在，技术的新进展…….终于让我们看到了改变科学中对动物依赖的路径。”

如何培养微型器官

颇具讽刺意味的是，类器官最初源自小鼠。开启这一领域的“微型肠道”，是从成年小鼠肠道中分离出的干细胞培育而成的。科学家们使用大致相同的方法来创建人类类器官：将肿瘤细胞或干细胞接种在富含营养的培养基中，并加入针对目标器官定制的生长因子和化学物质混合物。根据具体方法，一个模型器官需要数周至数月发育，自行组装成三维结构。率先开发这些技术的 Clevers 在采访中说：“肉眼观察，你可以看到它们在培养皿里就像一个个小点。”

如果需要，可以通过切割某些类型的单个类器官，并对切块重新进行培养来实现扩增。微型器官会再现真实器官中全部或大部分细胞类型和空间组织，甚至具备部分功能，例如会跳动的心脏类器官，或分泌乳汁的乳腺类器官。

一种技术是从成体或胎儿干细胞生成类器官。另一种方法则针对不含活跃干细胞的器官。例如，为了培养大脑或心脏类器官，科学家通常从人类诱导多能干细胞（iPSCs）开始，这些细胞是通过基因重编程将人的皮肤或血细胞逆转为更基础的状态而获得的。通过恰到好处的营养物质和生长因子组合，首先诱导iPSCs分化为相应的胚层（外胚层、中胚层或内胚层），然后再分化为所需的模型器官。

一篇2024年的综述发现，科学家已利用这些方案开发出代表约150种器官及器官亚结构的类器官。通过调整配方，他们正在制造日益复杂的版本。从一开始，因为存在肌小节，心脏类器官（cardioids）就能在显微镜下观察到跳动。之后，研究人员开发出了具有微小心腔的心脏类器官。

最近，由斯坦福大学医学与放射学教授、心血管研究所所长Joseph C. Wu博士领导的科学家团队，创建了初步带有血管化的心脏和肝脏类器官。这一去年发表在《科学》杂志上的最新进展，开始克服一个关键挑战：没有血管输送氧气和营养，类器官只能生长到几毫米大小，之后其核心就会坏死。

为了尝试模拟全身生理和药物反应，研究人员开始将微型器官连接在相互连接的器官芯片回路中。Wu解释说，未来的目标是在同一个培养皿中培养代表不同器官的类器官，这需要开发一种模拟血浆的通用生长培养基。他表示：“本质上，10年后，我应该能够抽取你的血液，生成你所有的主要器官，并将它们放在芯片上。”

研究发育与疾病

在众多的应用场景中，科学家已利用类器官来研究生殖系统疾病（如子宫内膜异位症、宫颈癌和前列腺癌），以及胎儿发育和先天性畸形。十年前，在美洲爆发寨卡病毒疫情期间，脑类器官帮助科学家揭示了为何一些在孕早期感染该病毒的孕妇会生下小头畸形的婴儿。

自那以后，研究人员对其他传染病疫情也有了更深入的了解。在新冠疫情期间，他们迅速利用人类气道类器官来研究 SARS-CoV-2 病毒感染。最近，科学家又利用人类心脏类器官研究了新冠疫苗引发的心肌炎，并利用人类皮肤类器官研究了猴痘感染以及该病毒对抗病毒药物的反应。

与此同时，高度复杂的脑类器官在研究和治疗从自闭症到阿尔茨海默病等一系列神经系统疾病，以及精神分裂症和双相情感障碍等精神疾病方面，引发了极大的关注。2024年，由斯坦福大学神经科学家 Sergiu P. Pașca 医学博士领导的研究团队在《自然》杂志上报告称，他们利用从患者干细胞中培育出的脑类器官，找到了治疗蒂莫西综合征的潜在方案。

由于实验室培育的类器官能高度模拟捐赠者真实的器官，许多人认为患者来源的类器官在个性化医疗领域具有巨大的前景。乌得勒支大学分子遗传学教授 Clevers 表示：“要想知道患者对某种药物是否有反应，你可能不需要直接给患者用药，你只需要把它用在来自该患者的类器官上就行。”他指出，在这些场景中，“类器官就像是患者的‘化身’（avatar）”。

Clevers 曾在一项成功案例中发挥了关键作用。最初，针对特定囊性纤维化致病基因变异的靶向药物，仅适用于携带最常见变异的患者。对于尚未进行过测试的罕见变异患者，这些能改变命运的疗法是否有效尚属未知。利用在 Clevers 实验室开发的类器官检测技术，荷兰各地医院的科学家对携带罕见变异的患者进行了药物反应测试。Clevers 表示，类器官对药物产生反应的患者最终成功获得了用药机会，也得到了成功治疗。

患者来源的类器官目前最常用于癌症研究。在过去十年左右的时间里，科学家建立了肿瘤类器官生物样本库，用于研究各种癌症的发生与进展、测试治疗反应与耐药机制，以及筛选和评估新药。就在今年夏天，一个国际研究团队在《自然》杂志上发布了一份新的目录，收录了来自25种不同癌症类型患者的600多个类器官及其他肿瘤模型。

在另一个项目中，伦敦国王学院与葛兰素史克（GSK）展开合作，研究人员正在为200名可手术切除的晚期非小细胞肺癌的患者培育肿瘤类器官。这些患者中约有一半会在术后复发。该研究将探讨能否利用人工智能和机器学习，基于从类器官、影像学结果和基因图谱中收集的数据，更准确地预测哪些患者会复发，并制定最佳治疗方案。

肿瘤类器官保留了原发肿瘤的基因突变特征，这使其在日益个体化的癌症治疗中尤为有用。但与相对罕见的囊性纤维化不同，癌症影响着数千万人。要将患者来源的肿瘤类器官广泛推广至临床应用，还需要时间。

尽管如此，Clevers 表示，他相信类器官最终将成为肿瘤学及其他领域患者常规诊疗的一部分。Clevers 说：“对于医生来说，总有一天……类器官会真正融入他们的日常诊疗实践中。虽然现在还没到那一步，但我确信，在未来10年内，我们会看到越来越多的此类应用。”

迈向“培养皿中的临床试验”

短期内，类器官正处于改变药物研发方式的临界点。Clevers预测：“未来几年最大的突破将发生在药物研发领域。”

能够高效筛选来自具有遗传多样性人群样本的类器官药物化合物的高通量检测技术，催生了“培养皿中的临床试验”这一概念。其理念是，这些基于人体的方法将补充或取代动物研究，从而为在传统临床试验中决定哪些药物候选物适用于哪些人群提供更好的指导。

Kleinstreuer 解释说：“目的是让我们以更具预测性的方式，更快、更有效地推进首次人体临床试验。它将帮助我们在更早的阶段提出更好的问题，识别出可能的有效应答者和无应答者，理解作用机制，对候选疗法进行优先级排序，并减少进入人体研究阶段的无效药物数量。”

伦敦国王学院肿瘤学转化研究教授Tony Ng博士解释道，许多制药公司及其生物技术合作伙伴已经在使用类器官，但它们将其整合到工作流程中的环节可能有所不同。他表示：“这项研究可以贯穿从药物发现，一直到……在正确的时间、以正确的治疗组合为患者提供正确药物的全过程。”

业界普遍预计，美国FDA在药物开发中推动新方法（NAMs）的举措，将加速此类工业应用。2022年，美国国会通过了《FDA现代化法案2.0》，明确规定监管机构在新药和生物制品申请中，将考虑由NAMs（而非动物）生成的安全性和有效性数据。

随后FDA采取了一系列行动，包括：2025年4月发布了在临床前安全性研究中逐步摆脱动物模型的战略路线图；去年年底发布了减少某些单克隆抗体非人灵长类动物毒性测试的草案指南；以及今年早些时候发布了用于监管提交的类器官等NAMs验证草案指南。

资助机构也在积极发力。8月初，美国国家癌症研究所（NCI）所长 Anthony Letai博士表示，从今年秋季开始，包含动物实验的资助申请必须证明使用动物的合理性，并说明替代模型为何不可行。此外，如果动物研究是最佳方法，申请人应制定一项计划，在基于人体的系统（如类器官、新鲜肿瘤活检样本或患者来源的异种移植模型）中验证其发现，即使他们自己无法完成这一步。

Kleinstreuer 在一封电子邮件中表示，这一公告标志着更广泛的思维转变，是模型系统选择的重新定位，“将完全聚焦于与人类生物学的相关性”。

但要将类器官更广泛地投入实际应用，还需要标准化的科学培养方案、实现大规模量产的自动化设备，以及分析其产生海量数据的计算能力。

这正是美国NIH新成立的“标准化类器官建模（SOM）中心”旨在解决的问题。该机构正与学术界和工业界合作，重点开发和验证可重复的、以患者为中心的肝脏、心脏、肺部和肠道类器官模型。根据提供给《JAMA》的材料，其最终目标是建立一个“全国协调、符合监管要求的类器官生态系统，以加速药物发现、疾病建模和精准医疗”。

领导SOM计划并担任NIH过敏和传染病研究所研究技术副主任的 James M. Cherry博士表示：“我们的整个使命就是解决可重复性问题。这是最大的障碍，因为目前大家都在各做各的。”

该计划的一项成果将是建立一个可供研究人员使用的实体类器官模型生物样本库。Cherry 和 Kleinstreuer 描绘了一个并不遥远的未来：科学家只需支付运费即可从NIH订购标准化的类器官，或者利用经过验证的方案可靠地自行培养。

不过，Cherry、Casey 等人强调，类器官和其他NAMs不会完全取代动物模型，至少短期内不会。

Clevers 说：“类器官的优势在于简单，但这也是它的弱点。与实验室过去使用的模型相比，它确实能更好地代表人体器官，但你必须认识到，这是一种还原论的方法。”

一个关键的担忧是，在类器官和其他NAMs中进行的药物毒性测试，可能无法检测到仅在完整动物研究中才会显现的全身性不良反应。

Ng 表示：“预测药物的疗效是一回事，使用相同的技术来预测毒性则是另一回事。作为医生，我们不希望造成任何伤害。”

Kleinstreuer 指出，尽管在许多应用场景中，像类器官这样基于人体的技术“能够且应该”取代动物模型，因为它们代表了更好、更具预测性的科学；但在其他情况下，“还需要投入大量资金，进一步发展技术以模拟复杂的生物学过程。”

Wu 估计，目前大约 90% 的动物研究在技术上都可以用类器官模型来完成。他反问道：“一百年后，我们还会继续在小鼠和大鼠身上做实验吗？我希望不会，因为那将意味着科学没有取得进步。”

本文整理自：https://jamanetwork.com/journals/jama/fullarticle/2853277

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