专访李其翔博士｜类器官技术的优势与局限性

5月29日，为期两天的2021（第一届）3D细胞培养与类器官研讨会圆满落幕！本次研讨会吸引了600+专家学者参加，各论坛的精彩报告层层递进、紧密衔接，展现了类器官模型在发育模拟、疾病研究、临床免疫、肿瘤药敏、再生医学等多学科领域展现出独特的优势。此外，3D类器官模型通过与活细胞成像、微流控芯片、生物3D打印等技术结合将成为未来疾病诊断、治疗方案选择、药物筛选和基础研究的最具潜力的研究工具。

在本次研讨会期间，生物谷有幸对中美冠科首席科学家 （CSO）李其翔博士进行了专访。

作为科学家，李博士领导中美冠科的全球科学研究和创新部门，致力于提高产品质量、创新性以及优化生物技术服务，以更好的为客户提供服务。在冠科，李博士领导建立了全球最大的PDX体内药理平台和体外肿瘤类器官药效研究平台，帮助全球癌症药物临床前开发。李博士同时也领导开发新的癌症转化平台，用于精确的肿瘤诊断、预测生物标志物、免疫肿瘤生物标志物的检测和定量分析。

在加入冠科前，李博士有超过20年的生物医药研发经验，以及癌症和病毒感染领域研发经验。曾在美国多家生物技术公司担任研发主管或高级总监职位。李博士毕业于加州大学（欧文分校），获得分子生物学/生物化学博士学位，并在加州大学洛杉矶分校从事博士后研究。李博士主编了3本药物研发技术书籍，发表了70多篇生物医学学术论文。

生物谷：HUB类器官技术与其他的类器官相比，有什么差异？其有哪些独特的优势？

李其翔博士：HUB类器官是Hans Clevers及团队的创新发现而研发的，也就是：从组织定向（tissue committed）的成年干细胞（adult stem cell）可以在体外进行培养，并且形成特定的三维组织结构。这种结构和人的组织结构是全方位功能性类似的，并且可以在体外培养。作为干细胞可以在体外传代，保持活性。

市面上有很多所谓的类器官，并不是真正的类器官，因为并不是典型的干细胞来源。但HUB类器官也有局限性，仅适用于上皮细胞。而大部分肿瘤都是上皮细胞起源，所以类器官技术可以用于培养大部分肿瘤样本。

HUB类器官具备干细胞活性，并与真实人体器官基本性质一致。其他所谓的类器官不一定能维持活性或不具备所有功能，这和机体内真正器官情况有很大不同。

2009年在nature杂志上刊登了这项研究，研究发现上皮细胞的成体干细胞需要一定的培养条件（culture condition），有几个信号通路（pathway），在这些信号通路集合的情况下，干细胞就可以维持体外生长，长出来的类器官（迷你器官miniorgan）与动物机体内器官是一致的。

生物谷：HUB类器官技术目前的主要应用有哪些？

李其翔博士：应用非常广泛。任何上皮细胞相关功能方面实验都可以应用。以胰岛素为例，以前只能用重组技术或者用猪的胰岛素来生产，但现在可以利用类器官技术在体外培养分泌胰岛素的上皮细胞，获得天然胰岛素。最近也有一篇报道，将蛇的毒腺拿出，在体外培养的类器官也可以分泌大量高浓度天然蛇毒。除了这些分泌蛋白的细胞功能，还可以在癌症中大量应用。

癌症大部分恶性肿瘤，包括最严重的恶性肿瘤实体瘤，都是源自上皮细胞（epithelial original）。往往致命的癌症都是癌细胞转移造成的，90%的实体瘤都是上皮组织恶性肿瘤（carcinoma）。

癌症的一个特点是，不同的癌症起源的器官不同，有的是肺癌，有的是肾癌。肺上皮细胞和肾上皮细胞对药物的反应完全不同。但通过HUB类器官技术，理论上所有的上皮细胞来源的恶性肿瘤都可以在体外进行实验研究，并且类器官的生物学特性和癌症病人体内器官生物学特性一致。某种药物在HUB类器官的实验效果和人体临床实验效果一致。在进行临床试验前，类器官实验可以模拟人体实验，并且可以同时模拟大批量样品的实验。一个药物成功对群体有效，那么通过类器官实验，可以找到具体这种药物对哪些人群适用。比如如果某药物适用于亚洲妇女的乳腺癌，那么临床实验阶段也可以直接针对亚洲妇女的乳腺癌治疗。这种技术可以加速临床开发，为转化癌症医学做了良好的临床研究的前期工作。
 
生物谷：中美冠科拥有实体瘤来源的类器官，但没有白血病或淋巴瘤的类器官。针对这一块，中美冠科是如何解决的？

李其翔博士：现在没有利用类器官技术来解决的办法。类器官技术只能在体外生产上皮干细胞。包括白血病以及淋巴瘤在内的的血液瘤（hematological cancer）的干细胞是不能在该实验条件下生长的。不同于实体瘤，血液瘤的细胞是分散的、是液体瘤。目前还实验可以没有成功在体外培养血液瘤干细胞。但是冠科拥有白血病和淋巴瘤来源的人源肿瘤组织来源移植瘤模型，也就是PDX模型，可以开展相关实验，也占公司目前相当一部分的实验量。
 
生物谷：类器官在肿瘤药物开发方面的应用存在哪些突出优势和局限性？未来的突破点可能会在哪里？

李其翔博士：类器官的一个很大的优势是，可以在培养皿/体外（in vitro）培养。使用HUB类器官技术，正常的和肿瘤的器官都可以体外培养。这样可以确定治疗肿瘤的药物是否在治疗癌变器官同时不伤害正常器官。因为在人源肿瘤组织来源移植瘤模型（patient-derived tumor xenograft, pdx）里无法进行对照实验，而HUB类器官实验模型可以进行对照。其次，除了正常器官的体外培养，不同恶性程度的肿瘤器官都可以培养。通过传统PDX模型，只有癌变十分严重的组织才可以在体外培养。传统手段只能体外培养特定肿瘤，但这无法代表所有病人的状况。 

第二个优势是，类器官作为体外培养模型，可以进行大规模的筛选。

局限性是目前培养价格昂贵。体外培养类器官需要各种生长因子和激素，以及特殊的生长环境，这些价格加起来会很贵的。但相较一些动物实验并不贵，且实验操作起来更为方便。

动物的肿瘤实验可以提供与人类体内相同的肿瘤微环境，比如淋巴细胞和血管，以及各种各样的基质细胞。但在体外培养的只是肿瘤细胞，不包括这些肿瘤微环境的其他细胞。现在有一个克服该问题的方法，可以把不同的纤维细胞，血管壁细胞，血液细胞加进去，这就是所谓的共培养（co-culture）。这样处理的好处是，可以具体区别不同微环境细胞在肿瘤中的作用。

针对肿瘤的研究而言，类器官主要的用途在于，每一个类器官可以代表其原始的肿瘤病人。虽然肿瘤研究一定是针对一类人群，但每个个体病人都是不一样的，因此临床研究会包含很多病人。类器官可以帮助研究很多病人在体外的研究。

最终我们希望找到生物标志物（biomarker）。根据临床实验和数据分析，通过机器学习（machine learning）算法可以找到能够真实反应病人群体情况的生物标志物。根据生物标志物，理论上可以精准找到潜在病人群体，这将有利于精准医疗。具体通过大数据的方法，对比类器官基因测序数据和药效应答效果，确定试验药物更适用于哪一种基因结构。而且，实验提供的大量病人个体数据可以通过统计学习（statistical learning）完善实验假设。可以明确药物针对不同病人的不同诊断方法，并且确定哪些病人不适用该药物。这是伴随诊断，也是精准医疗的一部分。否则随意使用药物，不仅对病人没有效果，还可能对病人产生致命伤害。因为现在的医疗技术的局限性，针对肿瘤的治疗更多是在尝试，无法在治疗前确定药物到底有没有效果。因此如果通过体外类器官实验确定药物对该病人类器官有效，那肯定对病人本身也有效。
 
生物谷：中美冠科为什么选择HUB类器官作为合作和开发的对象？

李其翔博士：这是一个非常自然的过程。中美冠科成立十多年，是一个主攻癌症的模型公司。我们大概有三千多个模型，这在全球的商业领域我们公司是最大的。其中的一个重要模型就是人源肿瘤组织来源移植瘤模型（PDX）。PDX和类器官的本质是一样的，都是病人直接来源的样本，PDX是在老鼠上的体内实验模型。过去十年我们不具备在做体外模型的技术。
 
当Hans Clevers发现可以在体外进行试验后，我们就直接把技术引进进来。引进后我们把PDX全部变为PDXO，也就是patient-derived organoid/PDX-derived organoid。这样我们就有两套模型，一套是in vivo——在动物身上的（即PDX），另一套是in vitro（即HUB类器官模型）。药物实验一定要做体内和体外（in vivo & in vitro），这两者是缺一不可的。引进类器官技术补足了体外的部分，并且这两者是可以相结合的。今天的报告就是说两个模型提供了两个数据库，具有生物的可相互替换和结合的性质。这提供了很多优势。并且两个模型都是源于病人的，因此人-PDX-类器官的实验模型的结果在逻辑上是相通的。
 
生物谷：在工业界，特别是药物研发流程中，类器官技术可以起到哪些重要作用？

李其翔博士：现有的癌症药物使用其实不是最佳的治疗方法。因为并没有弄清楚药物在哪些病人身上有效。导致癌症治疗的失败率很高，30年来成功率只有3%-5%。推出的药物在临床试验上大部分都是失败的。如果确定对哪些病人有效，临床后期实验成功率就会大大提高。虽然这说起来容易，但做起来难。
 
生物谷：对于类器官技术目前并不能涵盖所有来源肿瘤这一个限制，中美冠科为客户提供了哪些解决方案？

李其翔博士：其他的一些肿瘤，也有一些3D的培养技术，但不是Hubrecht（HUB）的技术，能够代表机体内的一些肿瘤的特性，但和Hans Clevers的类器官技术有本质的区别。

大部分癌症都是上皮细胞，比如肺癌、胃癌、肝癌、大部分肠癌。但确实同样的方法是有一些局限的。我相信针对非上皮细胞的肿瘤的干细胞培养方法在未来也是可以找到的，只是Hans的实验室研究结果只针对上皮细胞。我跟他谈过很多次，他说据他了解，现在还没有人做出来。

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作为一项重大的技术突破，类器官目前已被公认为生物研究的重要工具，并具有重要的临床应用价值。类器官允许在一个模拟内源性细胞组织和器官结构的环境中进行组织生物学、发育、再生、疾病建模(包括癌症研究)、器官移植技术改良、药物发现/疗效评估以及毒理学的研究。但类器官领域的研究仍在起步阶段。即使对于如心脏和肝脏这样的组织，类器官也很不成熟，仅能部分模拟人体器官。对于脑组织则更甚。许多基本的(脑组织)生理功能，如细胞生理、生化功能仍有待突破。未来，我们仍有很多困难需要克服！（生物谷 bioon）