2025 年趋势：类器官技术

为了帮助研究人员推进三维类器官模型的表型筛选，Molecular Devices 开发了 ImageXpress Confocal HT.ai 高内涵成像系统，该系统集成了 IN Carta 图像分析软件。该公司声称，该系统可以使用透射光和各种荧光细胞标记物准确监测类器官的生长和细胞动力学。

类器官展示了其体内对应器官的各种结构和功能特征，并导致了许多新的癌症模型的出现。根据 The Insight Partners 的一份报告，到 2031 年，类器官市场预计将达到 150.1 亿美元，从 2023 年的 30.3 亿美元起，复合年增长率为 22.1%。

类器官领域有望扩展

马伊特雷扬·斯里尼瓦桑博士（Maithreyan Srinivasan, PhD），Bio-Techne 公司空间生物学副总裁兼首席科学官表示，临床试验的失败率很高，超过 85%，原因包括安全性和有效性问题。传统的评估药物特性方法涉及动物模型和二维永生化细胞培养，但它们在捕捉人类疾病物种特异性方面存在局限性。人类类器官模型作为一种更接近人体生理的替代方案已经崭露头角。除了作为动物毒性测试的桥梁和更具成本效益的替代方案外，类器官越来越多地用于疾病建模和孤儿病药物筛选。未来一年可能会在与人类类器官模型相关的几个关键领域取得重大进展，包括尝试引入成人组织特异性免疫成分、整合类器官和器官芯片、常规自动化多组学表征数百至数千个类器官，以及增加使用患者来源的类器官进行个性化治疗。

尽管类器官模型具有前景，但仍面临一些挑战，包括缺乏标准化、可扩展性不足以及由于缺少特定组织细胞类型而导致的生理相关性有限，例如缺乏微生物群和不完整的成熟/功能。复杂的共培养类器官和组装体产生类器官内部异质性，并因无法获得营养而表现出坏死。此外，由于缺乏对类器官形状、大小和细胞类型组成的控制，类器官之间的可重复性也存在问题。尽管如此，该领域正准备扩大努力，通过整合类器官和器官芯片提高可重复性和规模，开发连接不同组织类器官的微流控架构，利用循环机制模拟人体，以及使用类器官细胞图谱促进更好的标准化。此外，学术界和工业界的合作伙伴关系正在生成下一代高通量类器官生成和表征的自动化解决方案。最后，预计空间生物学数据集分析的进步将用于更快地分析 3D 类器官。

通过纳入人类多样性改善药物开发

卢多维科·布蒂博士（Ludovico Buti, PhD），Charles River Laboratories 研究主管表示，药物发现正处于其增长的重要转折点。现代疗法越来越针对最终目标——人类设计和定制。先进的模式、细胞和基因疗法以及抗体方法都具有共同的特点，即对患者的 mRNA、蛋白质或抗原具有特异性。因此，人类体外模型对于推动下一代治疗药物的发展至关重要，尤其是在影响中枢神经系统的罕见疾病中，每一刻都至关重要，以提供个性化治疗。

作为公认的动物测试替代方法，类器官通过模仿器官的功能、结构和生物复杂性重新定义了现代科学。干细胞可以在 3D 中自组装以生成类器官，即小的体外器官复制品。通过密切模仿组织来源的异细胞组成，类器官使我们能够在实验室环境中重建器官的细胞组成及不同细胞类型群体之间的内在相互作用。这使得我们能够在体外重建人类生理功能的某些方面。通过从健康和患病捐赠者以及具有不同遗传背景的个体生成类器官，我们可以评估同一种药物在同一人群中的活性或不良反应是否相似。

类器官的主要作用之一是在早期预测药物的成功或失败，从而为客户节省资金并减少后续责任。人类种群的异质性从未在药物发现中得到考虑，或者至少只是在临床试验阶段才考虑。通过类器官，我们可以在药物开发的最早阶段纳入人类多样性，将人类因素置于决策的核心，以决定新的药物候选物是否将在药物发现和发展管道中进一步推进。

患者类器官用于个性化医疗

约翰·“约西”·舒博士（John “Yoshi” Shyu, PhD），康宁生命科学全球科学应用总监表示，在过去的二十年中，类器官作为模型系统已在科学界得到广泛应用，并被《自然方法》评为 2017 年年度方法。这些里程碑捕捉到了类器官技术在发育和疾病建模方面不断提供的重大进展，继续在个性化和再生医学领域取得显著进步。

FDA 现代化 2.0 法案的通过赋予研究人员使用创新非动物方法的权利，包括使用类器官。这些方法准确模拟人类生理的能力有可能加速安全有效的治疗方法推向市场。为了实现类器官在人类医疗保健中的应用潜力，需要改进以促进其规模扩大和复杂性的提升。当需要大规模生成类器官用于高通量或再生医学应用时，有选择可以维持静态扩展的一致性大小。在动态条件下扩展类器官会带来一些复杂性，包括保持大小一致性、优化气体交换和剪切应力。最近的生物反应器和封装技术有助于解决这些挑战，但 GMP 级细胞外基质和封装技术的持续进步必须发展，以补充从静态到动态条件的类器官扩展。这对于实现高通量、一致的药物筛选工具和涉及再生医学的治疗应用至关重要。

与这些机会并行的是，血管化类器官模型的持续改进也是一个关键需求。完全血管化的类器官模型将生成更全面的药物递送与治疗效果相关的理解。此外，再生医学应用将受益于这一额外的复杂性，同时有助于缓解之前提到的一些与动态系统扩展期间优化气体交换相关的挑战。一些血管化的改进已通过微流控平台或器官芯片技术实现。当前的挑战是将这些学习成果扩展以满足大规模扩展的需求。

尽管目前存在挑战，但看到类器官研究领域内的创新速度令人鼓舞。这些进展已经影响到接受个性化医疗益处的患者，随着这些进展的实现，我们将继续改善人类医疗保健。

整合类器官与器官芯片

高塔姆·马哈简博士（Gautam Mahajan, PhD），Emulate 公司首席科学负责人表示，高级体外模型如类器官和器官芯片通过提供强大的人体组织结构和功能模型，彻底改变了药物发现和发展过程。然而，类器官面临诸如大小和生产的变化性、可扩展性有限以及缺乏免疫细胞和动态生理线索等挑战。一个重要的限制是类器官的传统极性，通常是基底外侧朝外，限制了直接接触管腔并限制了其用于研究药物吸收和宿主-微生物群相互作用的实用性。

为了实现类器官在人类医疗保健中的最终潜力，必须专注于标准化类器官生成过程并增强其可重复性。细胞来源的进展，如患者来源的干细胞，以及大规模生产的简化方法对于弥补这些差距至关重要。

将类器官与器官芯片结合提供了互补的解决方案，结合了类器官的三维结构和器官芯片的动态功能。器官芯片提供了包含流体流动和机械线索的微环境，增强了细胞分化、良好的细胞极性结构和组织功能。这些组合平台推进了药物代谢研究、感染建模和个人化医学等应用。它们还允许与免疫细胞或微生物共培养，使研究人员能够研究复杂疾病中的相互作用，如炎症性肠病或微生物群落冠状病毒感染。

一个关键趋势是提高这些技术在研究和临床前药物测试中的可访问性和可扩展性。器官芯片制造技术的进步以及细胞来源的改进正在将器官芯片与类器官整合，使其更实用。通过提供生理相关模型，这些技术有望减少和替代动物测试，改变基础研究，并改善药物发现和发展。

随着类器官和器官芯片技术共同进化，它们为推进生物医学研究提供了变革潜力。通过解锁新的与人类相关且符合伦理的模型，它们为个性化医学及其他领域的创新铺平了道路。

开发经过验证、可信的模型

玛丽·杜索（Mary Duseau），Molecular Devices 总裁表示，Molecular Devices 2023 年的一项调查显示，近 40% 的科学家依赖复杂的与人体相关的模型如类器官，其使用预计到 2028 年将翻倍。然而，复杂细胞模型开发的两个主要挑战是可重复性和批次间的一致性。尚未从事类器官工作的 60% 的科学家——但与原代细胞和诱导多能干细胞（iPSCs）等 2D 人体相关模型合作——也可以感同身受。自动化和人工智能（AI）的进步已经开始成功解决这些问题，我们预计今年这些创新将更多地融入实验室。

结合自动化和 AI 技术以更可重复和高效的方式生产可靠的与人体相关的模型是至关重要的。通过这项技术，研究人员可以选择他们想要的模型，并灵活优化和设置培养参数以产生所需的表型。它消除了复杂细胞模型的手动护理需求，标准化协议以减少变异性，并消除人为偏差，确保细胞获得所需的一切以始终如一地成熟为可靠的模型。

我们还预计对经过严格测试和表征的现成、经过验证的模型的需求将增加，确认它们能够准确可靠地模拟活体生物中的细胞过程、行为和反应。我们的内部科学家使用专有工艺确认模型的相关性和预测价值，然后再交到研究人员手中。可重复的类器官使研究人员可以直接提出具体的生物学问题，进行疾病研究或测试治疗化合物。

研究人员希望可信的、与人体相关的模型。将自动化和 AI 整合到类器官开发工作流程中——或选择经过验证的现成模型——是 2025 年实现这一目标的几种创新且易于获取的方法，特别是在与复杂生物学、自动化和数据科学技术方面的行业专家合作时。

实现类器官技术的承诺

娜塔莎·刘易斯博士（Natasha Lewis, PhD），赛多利斯生物分析高级科学家表示，类器官技术是再生医学和个性化医学领域最有前途的研究领域之一，同时也具有巨大的药物发现潜力。然而，当前类器官生产和培养系统的局限性阻碍了其潜力的发挥。克服这些局限性是当前类器官领域的主流趋势。

类器官的生长受到需要扩散整个结构营养物质的限制，当达到一定尺寸时会出现坏死核心。搅拌式生物反应器等系统的开发可以帮助改善扩散和扩大生产规模。类器官可能永远不会成为高通量系统，尤其是考虑到患者来源的类器官（PDOs）有限的起始材料。但对于某些类型的类器官，批量生产可以支持中等规模的筛选实验。分析此类实验的技术也很重要。

类器官结构中缺乏血管化既限制了类器官的大小，又限制了一些测试的相关性。我们将看到越来越多的研究试图通过与内皮细胞共培养来血管化类器官。

与成熟器官和疾病的关联性提出了另一个难题。使用诱导多能干细胞（iPSCs）产生的胎儿表型并不总是适合研究成人疾病。PDOs 或成体干细胞可以在一定程度上解决这个问题，但它们的缺点是通量较低。

使用 CRISPR 或类似方法进行基因编辑可以将疾病表型引入 PDOs（例如，研究肿瘤发展）。此外，细胞微环境对于器官发育或疾病进展可能是根本性的。未能包含适当的细胞外基质可能对研究有害。我预见重组和合成材料的开发将是另一个活跃的领域。

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