体外肿瘤类器官芯片开启药物研发“芯”时代

本文转自：中国医药报

多学科交叉结合精准模拟微环境

体外肿瘤类器官芯片开启药物研发“芯”时代

□ 陈友 李威霖 黄雪连 胡燕娟

传统的药物评价主要基于操作简单、快速、成本较低的二维（2D）细胞实验或模拟度高的动物模型进行筛选。但由于2D环境与真实的3D肿瘤微环境相差甚远、动物与人体存在较大的种属差异，因此在临床试验前，药物作用机制难以确定，药物的耐药性、副作用等进一步实验也无法完成。此外，动物实验存在耗时长、成本高，还可能引发伦理争议等问题，加之上述模型难以进行高通量和标准化，因此目前在新药研发、临床指导用药以及肿瘤发病机制探索方面仍存在较大挑战

器官芯片是2010年诞生的一项变革性生物医学技术，是一种在芯片上构建的器官生理微系统。它以微流控芯片为核心，通过与细胞生物学、生物材料和工程学等多学科相结合，在体外模拟构建包含多种活体细胞、功能组织界面、生物流体和机械力刺激等复杂因素的组织器官微环境，反映人体组织器官的主要结构和功能特征，用以预测人体对药物或外界不同刺激产生的反应，在生命科学和医学研究、新药研发、个性化医疗、毒性预测和生物防御等领域具有广泛应用前景

体外肿瘤类器官芯片为药物研发与评估提供新策略

体外肿瘤类器官芯片微生理系统模型是具有潜力的新型药物评价和开发平台。肿瘤类器官作为一种新型的体外肿瘤模型来源于患者本身，其最大化地保留了亲本的免疫肿瘤微环境特性和基因突变谱，是一种能高效应用于研究肿瘤疾病和药物筛选的体外模型。通过结合工程化的类器官芯片的结构设计和精确的流体操控技术，能够模拟体内的肿瘤异质微环境动态作用过程，包含流体剪切力、pH（酸碱度）和梯度的理化因子等物理化学特征。此外，这种平台允许引入更多的生理因素，从而可以重构更真实的动态肿瘤微环境，如细胞相互作用、浓度梯度和机械应力等；同时，微流控芯片可以结合多种控制技术和检测技术，适用于药物的高通量筛选、检测和机理研究。通过重建与真实的肿瘤异质微环境相类似的肿瘤模型，为传统药物和靶向药物开发与评估提供了新的策略，以解决很多其他模型难以解决的难题。

尽管体外肿瘤类器官芯片微生理系统有望用于解决传统药物评价模型的缺陷，但作为一种新兴技术，其仍然存在较多技术挑战。首先，目前体外肿瘤器官组织的三维（3D）培养成功率难以保证，主要受限于现有的2D细胞培养体系难以满足细胞的3D生长要求，因此开发新型的细胞培养材料，包括专用培养基和支持细胞3D自发生长的基质材料至关重要。其次，现有的器官芯片结构简单，功能单一，难以模拟复杂的肿瘤微环境特征。最后，体外器官芯片培养成功后的标准化鉴定，以及与药物作用后的高通量实时效果检测仍然存在挑战。因此，如何创新体外3D器官培养体系，建立标准化的培养和鉴定方法，搭建高通量的实时检测和评价的器官芯片平台是目前面临的挑战之一。基于此，逸芯生命科学项目团队（以下简称项目团队）通过医工交叉，开展基于医学、先进制造、生物传感、生物成像的监管科学交叉研究，致力于开发基于微纳加工、微电子、生物传感等工程化手段，构建肿瘤器官培养和检测集成化的器官芯片微生理系统药物开发平台，建立体外3D器官培养体系工程化、标准化、智能化培养和鉴定方法。项目团队在类器官培养底层体系技术方面取得了多项突破，显著提高体外肿瘤类器官的培养活性和成功率，并于2023年7月进驻新型生物材料与高端医疗器械广东研究院加速孵化转化。截至目前，项目团队已推出“功能化器官芯片”“类器官培养试剂盒”“用于高通量微球制备的微流控芯片”“Organoids基质胶”相关系列产品。

自主研发的培养基及材料助力肿瘤类器官高效培养

肿瘤类器官通常是由手术或者穿刺获得的患者标本经过一系列处理和体外3D培养而形成的具有一定空间结构的组织类似物。肿瘤类器官能够保留肿瘤患者亲本组织的大部分病理信息，因此有望用于疾病的机制研究和新药开发。但是，不同组织来源的标本对于培养基的成分要求不尽相同，现有的类器官培养基种类有限，难以满足不同组织来源类器官的培养要求，限制了体外高效的肿瘤类器官培养。此外，基质材料的成分和理化性质对类器官的成熟和发育至关重要，因此研发新型的仿细胞外类器官培养基质材料是体外成功构建肿瘤类器官的关键。现有的类器官培养基质材料主要为国外垄断产品基质胶，该材料来源于小鼠肿瘤，成分复杂、批次差异大、价格昂贵，且其成胶缓慢，强度不易控制，难以配合工程化的手段，如微流体芯片和生物3D打印的高通量应用。肿瘤类器官的体外培养底层技术仍然存在较大限制，因此开发新型的类器官高效专用培养基和新型基质材料，对于提高体外肿瘤类器官的培养效率、传代稳定性和成功率具有重要意义。

针对不同类器官培养对培养基的不同要求，项目团队目前自主研发了类器官培养基及配套试剂产品，通过创造性地调配培养基中基础营养组分和生长因子的比例，配制适用于不同组织、不同癌种的2D和3D类器官的体外培养，包括人源化结直肠癌、肝癌、肺癌、胰腺癌、乳腺癌等10余种癌症组织的新型肿瘤类器官培养基。这些培养基成分明确，能够满足标准化产品的要求，并且可以根据用户需要个性化、定制化研发专有用途的培养基。

项目团队利用长期在生物材料研究方面的技术积累，通过创新性设计，基于脱细胞技术开发了一种可打印、高生物活性的仿细胞外基质成分的肿瘤类器官培养基质材料。该材料来源于动物组织，保留了细胞生长和成熟所需的蛋白质成分和生物活性因子，材料的成分清晰，包括力学强度、降解性和成胶性等理化性能高度可控。相比于传统的基质胶材料，该材料具有成胶速度快、注射性好和可打印的独特优势，能够配合生物3D打印以及微流体芯片等工程化手段使用，显著提高了体外肿瘤类器官的培养效率。使用了该培养基的类器官在培养、传代和扩增成功率上高于80%，目前已经在10余家高校、医院和科研院所应用，解决了目前肿瘤类器官的体外高通量培养和稳定传代难题。项目团队已拥有相关技术的独立知识产权，获得多项国家发明专利授权，部分技术打破了国外对于类器官培养基质材料的垄断，未来能够为类器官的基础研究和应用转化提供坚实的技术支持。

血管化的肿瘤类器官芯片成功构建复杂微环境

传统的肿瘤类器官主要在孔板中进行静态培养，难以模拟体内的动态微环境特征，且孔板培养难以对多细胞参与的复杂肿瘤微环境进行高通量的构建。器官芯片可以通过对芯片结构的设计和模块化组合满足多种类器官的共培养需求，同时便于对器官芯片中的细胞生长、发育和动态相互作用进行实时监测。但是，目前国内的器官芯片研究仍处于早期阶段，现有的器官芯片结构较为简单，仅能构建一些较为简单的类器官模型，例如肝芯片、肾芯片、肺芯片和肠芯片等，复杂的异质肿瘤微环境模型的构建仍然存在较大困难。其中，血管化是肿瘤异质微环境的重要特征之一，对于肿瘤的生长、转移以及药物作用至关重要。因此，通过器官芯片的通道设计和流体操控构建出血管化的肿瘤类器官芯片，对于研究药物动态作用和肿瘤转移十分关键。

项目团队设计了一款3个平行通道组成的微流体芯片结构，通道之间利用设计微柱阵列将其分隔，间距能够将腔室分离的同时也可进行物质传导和营养交换。在中心通道培养肿瘤类器官，两侧通道培养血管内皮细胞，持续地动态灌注专用类器官培养基，通过精确调控灌注速度，调节流体的剪切力和营养梯度等参数，最终培养出血管化的肿瘤类器官芯片复杂肿瘤微环境模型。该芯片的主要优点在于灌流式培养更加真实地反映了人体内血管的形态学特征，并表现出较强的屏障功能和长期稳定性。

目前，血管化的肿瘤类器官芯片系统已经被用来进行初步的药物筛选，揭示了药物在有无血管存在，以及动态和静态给药方式下的药物疗效差异性规律，证明了微血管系统对于抗肿瘤药物的渗透性屏障作用。同时，动态灌注能够提高药物在肿瘤区域的积累量，这与体外的药物作用规律相一致，因此有望利用该模型进行体外的药物筛选。血管化肿瘤类器官芯片培养系统还能够用于研究肿瘤的血管转移过程。在芯片的培养中，结合成像设备实时监测肿瘤细胞和血管内皮细胞的迁移情况，可以进一步应用于肿瘤的形成机制研究和抗血管转移药物的开发。目前，该项目正在与科研院所和药物研发企业开展多方面合作。除了血管化肿瘤类器官芯片以外，项目团队还研发了包括高通量类器官制备芯片、多器官共培养芯片、自动药物浓度梯度生成芯片和高通量器官培养及回收一体化器官芯片在内的多款器官芯片，满足不同功能和应用场景需求，为体外构建多功能的器官芯片提供了良好的平台。

综合运用多种医工交叉学科先进技术和前沿理论构建肿瘤类器官芯片，不仅具有较高的学术研究价值，还具有较大的市场应用潜力。人体器官芯片与干细胞、组学技术、基因编辑、合成生物学、高分辨成像、大数据和人工智能等领域的深度融合发展将是未来的发展趋势，有望成为颠覆传统药物研发的革命性技术，打造新药开发和疾病研究新范式。

（作者单位：新型生物材料与高端医疗器械广东研究院）