个性化药物:生命科学中的颠覆性技术|康宁

以下文章最初发表于2020年12月9日在制药年鉴上在这里．

类器官在药物开发和精准医疗方面都具有巨大的潜力。当有效利用时，它们可以通过为个别患者提供精确的靶向治疗来降低与新疗法相关的成本和风险。由于它们能够作为研究肿瘤微环境的有价值的模型系统，类器官正在加速癌症生物学的发现工作，并能够快速筛选潜在的新疗法。

类器官是使用组织特异性干细胞生成的，这些干细胞通常是未分化的上皮细胞。也有可能从患者细胞中生成类器官，以研究个体癌细胞内的遗传变化。特别令人感兴趣的是培养未完全转化的癌前细胞的能力，这在以前还没有被研究界所获得。

例如，通过将活检中收集的细胞与半固态基质混合，然后将混合物暴露在含有生长因子的培养基中，可以在培养皿中生成肿瘤类器官。由此产生的类器官可用于药物筛选，而不是给患者服用不同的药物来观察哪种药物可能会产生积极反应。这些类型的类器官也可以被插入小鼠(异种移植)，可以用不同的治疗方法挑战。

在某些情况下，类器官为评估目前没有实际解决方案的潜在疗法提供了一种手段。目前，死后人视网膜外植体是唯一可用于评估眼科治疗的合理复杂水平的人类模型。来自小动物模型的结果通常不能转化为人类，因为它们不能完全代表人类视网膜系统。因此，类器官提供了转变眼病药物发现和开发范式的潜力。

作为开发COVID-19感染治疗方法的一部分，类器官正在被用于确定新型SARS-CoV-2病毒影响肺部、肝脏和肾脏等体内不同器官的机制途径。

虽然类器官技术一直在不断发展，但挑战仍然存在，特别是在创建血管化的多谱系类器官方面，其中包含提供氧气和营养物质所需的血管，清除代谢废物，并促进不同细胞类型之间的通信。所有这些能力对于它们成熟成为功能齐全的组织构建模块是必不可少的。需要改进技术来克服这一限制，并允许将类器官整合到临床实践中。最近发展的微流控技术，包括各种3D制造技术，为实现这一目标提供了一个机会。

在扩大类器官的规模方面也需要取得更多进展，以促进它们在新药和个性化治疗的开发中使用，并增加它们减少所需临床试验数量的潜力。类器官的有效验证，以确保它们准确地重现感兴趣的组织，也必须始终如一地实现。此外，由于纯度至关重要，因此需要溶液来确保从来自组织的类器官中去除污染物和不需要的细胞类型。

最后，虽然已经开发出了代表心脏、肝脏和肾脏等器官的类器官，但科学家们正在寻求扩展到具有更多功能的新模型。一个主要的例子是肺类器官可以复制气液界面这对基础研究和药物测试都很有价值。

创造具有更复杂功能的工程组织是类器官领域的下一个目标。细胞培养技术的最新发展为改进疾病模型和再生医学的生理细胞分析提供了新的机会。例如，通过将制造和3D打印技术与细胞生物学相结合，有可能创造出更好模仿的3D打印类器官在活的有机体内条件。

然而，挑战仍然是确保工程组织具有脉管系统，不同细胞类型(即神经元细胞/纤维、心肌细胞、骨骼肌细胞、平滑肌细胞等)的正确组成，以及不同类型神经支配(交感神经、副交感神经、感觉神经和肠道表型)的适当比例。

因此，真正的“培养皿中器官工程”将需要不同功能领域之间的广泛合作，如发育生物学、干细胞生物学、生物材料、3D生物构造和再生医学。

类器官和芯片器官系统已经取得了一些进展。在一个案例中，肝脏、心脏和肺类器官被生物打印，以开发一个多器官芯片平台，用于研究器官之间的相互作用及其对药物和毒素的个体和集体反应。¹

鉴于捐赠器官的严重短缺，许多类器官开发者的最终目标是生物制造出适合移植到人体的完整器官。再次强调，创造血管系统是最大的障碍。

血管系统的发育不仅涉及内皮细胞。其他细胞类型，如周细胞、平滑肌细胞和免疫细胞，在提供结构和功能支持以及信号指导方面发挥作用。技术的发展，使这些多种细胞类型的结合将需要建立更全面的在体外模型。

首先，3D微加工技术正在帮助类器官开发人员克服类器官模型系统中缺乏血管化的问题。事实上，各种生物工程方法，如芯片上的器官和3D打印技术，可以为模拟生理环境的类器官建立3D微环境。此外，微血管模式和微流体技术将允许在正确的位置加入正确的细胞。此外，人类干细胞具有高效力和增殖和分化成多种细胞类型的能力，非常适合用于器官制造。

迄今为止，一些类器官已经移植到动物模型中，以研究它们的行为。在一项研究中，开发了一种方法，成功地将人脑类器官移植到成年小鼠大脑中。²观察到类器官移植物在移植后几天内逐渐分化和成熟，形成与宿主神经元回路突触连接的功能性神经元网络，并广泛浸润宿主血管。

在另一个例子中，移植到单侧尿道梗阻(UUO)小鼠模型的肾类器官被观察到血管化，并在UUO和移植后在移植移植物中存活至少两周。^3.类器官也被用于肝病的治疗。使用肝球体/类器官作为可移植单位的肝细胞治疗的生物工程方法可能为进一步改善肝脏再生和治疗提供合适的替代方案。

在康宁生命科学的工作正在帮助类器官领域扩大并充分发挥其潜力。我们的目标是为研究界提供更好的类器官应用工具和资源，并通过倾听他们的需求并将其转化为增值产品来进一步推进类器官模型的科学。

细胞外基质(ECM)是生成3D模型的重要组成部分，因为它提供了生化特性和结构支持，有助于介导类器官结构中的细胞迁移、细胞行为和极化信号。

康宁提供黄金标准的ECM -基底膜基质^®矩阵-用于类器官研究和疾病建模。我们最近推出了用于类器官培养的新版本的Matrigel矩阵。该配方已经过优化，以支持来自健康和患病细胞来源的类器官的生长和分化。每批用于类器官培养的Matrigel矩阵都测量了矩阵刚度(弹性模量)，以最佳地支持类器官工作流程。每个批次还经过预审，可以形成稳定的“3D圆顶”结构，通常用于类器官培养。因此，在减少耗时筛选的同时，实现了对类器官研究至关重要的可重复性和一致性。

康宁还推出了高通量平板格式，为类器官药物筛选提供即用选项，从而提高了3D模型筛选的吞吐量。康宁Matrigel matrix- 3d 96孔和384孔微孔板预先配备了Matrigel matrix，为药物发现研究提供了所需的重复性和一致性，从而节省了时间。的范围可以进一步加速工作应用笔记由康宁科学家准备的关于使用我们的产品进行类器官开发的文件。

康宁还提供市场特有的培养基、生长因子和塑料耗材，并针对类器官培养环境进行了优化，包括可基于多种不同细胞类型进行3D生长的球形微板。通过与Hubrecht类器官技术研究所(HUB)的合作，康宁已经展示了使用康宁Matrigel基质和其他耗材支持各种类器官培养的应用，该研究所是一个先导性研究所，可以扩大Hans Clevers教授的工作及其培养干细胞衍生的人类“迷你器官”(HUB Organoids)的方法。

康宁生命科学不仅对促进精准医疗类器官的开发和应用感兴趣。细胞和基因治疗以及免疫治疗是其他主要的重点领域。免疫疗法是指通过激活或抑制患者免疫系统来发挥作用的任何疗法。虽然该领域包括更传统的免疫调节剂治疗，包括白介素、细胞因子(如干扰素)和免疫调节亚胺药物，但癌症免疫治疗(免疫肿瘤学)的重点一直是CAR-T治疗。在这些模式中，T细胞从患者(自体疗法)或健康供体(异体疗法)中获得，并通过基因工程表达特定的CAR，以靶向肿瘤表面的抗原。一旦这些CAR-T细胞遇到肿瘤抗原，它们就会被激活，增殖，并成为细胞毒性，导致肿瘤细胞的破坏。在FDA批准诺华的Kymriah和Kite Pharma的Yescarta后，我们看到了探索CAR-T疗法治疗血癌和实体瘤的临床试验的爆炸式增长。然而，长期影响的安全问题尤其令人担忧细胞因子释放综合征还有神经毒性。CAR设计已经经历了几代设计，增加了共刺激域和细胞因子以及合成控制机制来提高疗效。尽管疗效数据不断增长，但制造这些疗法仍然面临挑战，包括制造的复杂性和所需的供应链基础设施，物流方面的挑战，高度接触的商业模式，以及高成本和随之而来的报销挑战。

我们明白，开发和制造高质量的临床级细胞疗法用于大规模患者使用仍然是一个挑战。为了尽快为患者带来突破性的治疗方法，研究人员和制造商需要改进人工耗时的流程。

康宁在促进细胞治疗工作流程方面发挥着许多作用，从血液样本收集到血液成分分离、病毒载体制造、细胞工程、扩增和配方。

最近，我们推出了x系列细胞分离平台帮助简化和自动化单元处理中涉及的许多步骤。这种灵活的多系统平台提供了一个简化的解决方案，并在纯化单个核细胞、清洗细胞组分中的污染物、选择特定的细胞群和浓缩细胞悬浮液方面获得了性能提升。这些都是改变生命的细胞疗法发展的关键步骤。

除了支持这些活动，我们还支持研究人员创建与患者肿瘤非常相似的类器官模型，无论是在患者群体还是在个体水平上，这有助于开发具有更高疗效和更低风险的治疗方法。

虽然免疫疗法、细胞疗法和基因疗法尚处于起步阶段，但它们正在迅速发展，这些进步为开发出治疗实体瘤的有效疗法带来了可能。促进这种改变生命的疗法的发展，并使所有患者都能获得和负担得起，这是一项巨大的荣誉，也带来了巨大的责任。

我们认真对待这一责任，并致力于创造和合作新的工具，以实现进一步的技术进步，并开发解决方案，简化和优化研究人员开发个性化药物的工作流程。

参考文献

1. 斯卡达尔，亚历山大等人。”集成三组织器官芯片平台中的多组织相互作用科学。代表。7:8837(2017)。
2. Mansour, Abed，等。“一个在活的有机体内功能性和血管化的人脑类器官模型生物科技Nat》。36:432 - 441(2018)。
3. 南，孙阿，等。“移植物不成熟和移植人肾类器官的安全性问题。”实验与分子医学．51:145(2019)。