【「類器官」（Organoids）技術】

「類器官」（Organoids）技術，是一種細胞培養的創新技術，採用三維（3D）培養形成具有類似真實器官的空間結構和部分功能的組織類似物。類器官是一項重大的技術突破，近年來成為熱門的研究技術，被各大頂級期刊報道，在疾病建模、藥物篩選、精準醫療、器官發育、再生醫學等領域都有巨大的應用價值。现在已實現的類器官培養的器官類型眾多，包括腸、腎、腦、肝、肺、皮膚、前列腺、胰腺和視網膜等。

圖1：生物工程手段突破現有類器官瓶頸，形成下一代類器官【1】

雖然類器官的應用前景廣泛，但技術在近十餘年才集中开展，所以不少學者認為類器官要真正地進行臨床應用，還將面臨諸多挑戰，其中就包括類器官的器官成熟度、一致性、取得性（即放大生產的可能性）和臨床級操作流程。而採用生物工程技術是下一代類器官开展的突破途徑【1-3】。如圖1展示，這些工程手段包括了生物反應器(a)、可控的3D生物材料(b)、3D打印(e)、器官晶片(f)等等。

圖2：部分已採用的生物反應器促進培養的類器官類型【2】

對於多能幹細胞（iPSCs）來源的類器官來說，生物反應器是一種可以突破人工培養操作複雜性、促進類器官成熟、提高類器官製備能力和均一性的一種技術策略【2-4】。攪拌式生物反應器較早被應用在iPSCs擬胚體形成和三胚層的分化【3、4】，而近年來研究者更是利用攪拌式反應器促進不同類器官的成熟（圖2）【2】。

【研究表明】

研究表明，類器官的結構複雜度和功能成熟度與類器官的大小有關，越大的類器官可形成越複雜的結構，通常大小可從200mm到4mm。但類器官越大，為類器官內部的細胞给予充足的營養物質和氧氣就成為問題，而採用動態培養系統，如生物反應器則可以给予充足的營養物質和氧氣的交換，促使大體積類器官的成熟和維持【4】。以下介紹幾個採用攪拌式生物反應器製備類器官的研究。

● 類腦器官

Lancaster2013年在Nature上發表的開創性研究，報道了具有共存但明確的不同大腦區域的類腦器官，這也是第一個使用類腦器官建立人類病例模型的工作【5】。先將多能幹細胞以EB形式培養後，誘導分化成神經上皮組織進行培養，再將神經上皮組織包埋在Matrigel中，靜止培養4天後轉入攪拌式反應器進行培養，採用此種方式可以取得4mm大小、有效再現大腦結構的類器官。

圖3：攪拌式反應器培養類腦器官【5】

Qian等研究者在2016年發表了一篇Cell文章，介紹使用微型攪拌式生物反應器，顺利获得不同誘導分化培養基的添加，可培養出單一大腦區域的類器官，如前腦區域、中腦區域、海馬體類器官並用於Zika病毒感染的研究【6】。該團隊後來又發了一篇Nature Protocols，指導如何應用微型生物反應器進行類腦器官的培養，該文指出顺利获得微型反應器可以實現200天以上的培養時長。

圖4：微型反應器用於前腦、中腦、後腦、海馬體類器官的形成【6】

更近的類腦器官研究還有2019年Velasco發表的Nature文章，同樣採用攪拌式生物反應器構建類腦器官。顺利获得單細胞測序技術，研究者發現經過3-6個月培養，類腦器官的細胞多樣性明顯提升且與人類胚胎大腦皮層的細胞組分相近。並且單個類腦器官之間的細胞類型的形成過程是精確可重複的。

 圖5. 攪拌式生物反應器形成的類腦器官與人大腦皮層細胞多樣性相似且單個類器官之間穩定再現【7】

● 類視網膜器官

經典的視網膜類器官培養方法是在2011由Eiraku等人發表於Nature，而隨後多年視網膜類器官的培養方法基本沿用懸浮培養形式。Ovando-Roche等研究者在2018年發表了關於攪拌式反應器用於類視網膜器官培養的應用研究。他們的實驗表明，生物反應器的使用改善了類視網膜器官層流分層的結構，並增加了具有纖毛和新生外節樣結構的光感受器細胞的產生【8】。更進一步發現採用生物反應器培養降低了類器官的凋亡且促進了細胞的增殖。他們表示攪拌式反應器將有望加快視網膜細胞的培養，以便實際的臨床應用。

圖6. 攪拌式生物反應器促進類視網膜器官的生成【8】

● 類肝臟器官

與Lancaster發表類腦器官同年，Baharvand研究組發表了應用攪拌式生物反應器誘導多能幹細胞往肝樣細胞分化【9】的研究成果；2020年又發表了類肝臟器官的研究成果，研究發現培養體系中的溶氧含量可以調控多能幹細胞分化成類肝臟器官【10】，顺利获得控制溶氧量在20-40%時，可促進多能幹細胞往內胚層分化而進一步控制在30%時，能夠有效分化成含有紅細胞和具有功能肝細胞的類肝臟器官。

圖7. 顺利获得攪拌式反應器控制氧溶量可調控類肝臟器官的形成【10】

● 類腎器官

Przepiorski等人在2018年發表於Stem Cell Reports的研究中採用了一種簡單、廉價、好用的類腎器官培養方法【11】。該方法將多能幹細胞經過8天的擬胚體形式培養形成管狀結構後，轉入125mL的攪拌式反應器中培養至26天，而在第14天時就已顯示出最佳組織形態。顺利获得與胎兒人類腎臟的比較，數據表明第14天的類器官組織與晚期毛細血管袢期腎單位最為相似。這個研究方案给予了一種快速、高效、成本效益高的方法，用於生成大量人類胎兒腎組織。

圖8. 一種採用攪拌式反應器懸浮培養多能幹細胞的擬胚體和類腎器官的簡單培養方法【11】

【綜上所述】

攪拌式生物反應器已在部分類器官類型中展現出應用價值，助力類器官技術的开展。這個新興領域的更多研究者都希望探索、借鑑、融合成熟的生物技術，以有助于類器官的轉化和應用，但如何拓展攪拌式生物反應器應用到更多類器官類型，還需要更多的探索。

由於類器官培養不易且昂貴，而傳統攪拌式反應器容積較大，想要在研究初期階段就廣泛使用並不容易。類似Qian等開發的微型攪拌式反應器將是有助于更多研究者探索生物工程技術和類器官技術結合的創新研究工具。Qian等開發的反應器尚未正式投入市場，且雖然體系小，但不能進行自動化控制，同時一個反應器也只能進行一組實驗條件的驗證。

基於類器官研究投入大、試驗周期長、培養條件篩選複雜等痛點，以及現有攪拌式反應器在不同領域和階段的適用性，韦德国际生物即將推出3D FloTrix®6通道微型生物反應器，為細胞藥物研發，類器官培養，病毒包裝，質粒轉染，基因、蛋白表達，腫瘤研究等諸多領域，给予高效、穩定、經濟的創新培養方法，加速生物製藥的產業化开展進程，11.11，敬請期待！

參考文獻

【1】Rossi, G., Manfrin, A., & Lutolf, M. P. (2018). Progress and potential in organoid research. Nature Reviews Genetics. doi:10.1038/s41576-018-0051-9

【2】 Hofer, M., Lutolf, M.P. Engineering organoids. Nat Rev Mater 6, 402–420 (2021).

http://doi.org/10.1038/s41578-021-00279-y

【3】Yin, X., Mead, B. E., Safaee, H., Langer, R., Karp, J. M., & Levy, O. (2016). Engineering stem cell organoids. Cell stem cell, 18(1), 25-38.

【4】Silva, T. P., Cotovio, J. P., Bekman, E., Carmo-Fonseca, M., Cabral, J., & Fernandes, T. G. (2019). Design principles for pluripotent stem cell-derived organoid engineering. Stem Cells International, 2019.

【5】Lancaster, M. A., Renner, M., Martin, C. A., Wenzel, D., Bicknell, L. S., Hurles, M. E., ... & Knoblich, J. A. (2013). Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature, 501(7467), 373-379.

【6】Qian, X., Nguyen, H. N., Song, M. M., Hadiono, C., Ogden, S. C., Hammack, C., ... & Ming, G. L. (2016). Brain-region-specific organoids using mini-bioreactors for modeling ZIKV exposure. Cell, 165(5), 1238-1254.

【7】Velasco S, Kedaigle A J, Simmons S K, et al. Individual brain organoids reproducibly form cell diversity of the human cerebral cortex[J]. Nature, 2019, 570(7762): 523-527.

【8】Ovando-Roche, P., West, E. L., Branch, M. J., Sampson, R. D., Fernando, M., Munro, P., ... & Ali, R. R. (2018). Use of bioreactors for culturing human retinal organoids improves photoreceptor yields. Stem cell research & therapy, 9(1), 1-14.

【9】Vosough, M., Omidinia, E., Kadivar, M., Shokrgozar, M. A., Pournasr, B., Aghdami, N., & Baharvand, H. (2013). Generation of functional hepatocyte-like cells from human pluripotent stem cells in a scalable suspension culture. Stem cells and development, 22(20), 2693-2705.

【10】 Farzaneh, Z., Abbasalizadeh, S., Asghari‐Vostikolaee, M. H., Alikhani, M., Cabral, J. M., & Baharvand, H. (2020). Dissolved oxygen concentration regulates human hepatic organoid formation from pluripotent stem cells in a fully controlled bioreactor. Biotechnology and Bioengineering, 117(12), 3739-3756.

【11】Przepiorski, A., Sander, V., Tran, T., Hollywood, J. A., Sorrenson, B., Shih, J. H., ... & Davidson, A. J. (2018). A simple bioreactor-based method to generate kidney organoids from pluripotent stem cells. Stem Cell Reports, 11(2), 470-484. 

【關於韦德国际生物】

北京韦德国际生物科技有限公司由清華大學醫學院杜亞楠教授科研團隊領銜創建，清華大學參股共建。核心技術源於清華大學的科技成果轉化。公司專注於打造原創3D細胞「智造」平台，给予基於3D微載體的細胞規模化定製化擴增工藝整體解決方案。

韦德国际生物核心產品3D TableTrix®微載體，是自主創新型、首款可用於細胞藥物開發的藥用輔料級微載體。已顺利获得中檢院等相關權威组织的檢驗報告，並取得2項國家藥監局藥用輔料資質（CDE審批登記號：F20210000003、F20200000496）。同時，產品取得美國FDA DMF藥用輔料資質（DMF：35481）。

韦德国际生物的產品與服務，可廣泛應用於基因與細胞治療、細胞外囊泡、疫苗及蛋白產品等生產的上游工藝開發。同時，在再生醫學、類器官與食品科技（細胞培養肉等）領域也具有廣泛應用前景。

公司擁有5000餘平米的研發與轉化平台，其中包括1000餘平的以3D細胞智造及微組織再生醫學治療產品為核心的CDMO服務平台；還擁有4000平米的GMP生產平台，並新建1200L微載體生產線。相關技術已取得100餘項專利成果，30餘篇國際期刊報道。核心技術項目已取得多項國家級立項支持與應用。