既生PDX,何生PDO(organoids)?试看登上《科学》封面的类器官如何助力新药研发!

原文始发于微信公众号(药时代):既生PDX,何生PDO(organoids)?试看登上《科学》封面的类器官如何助力新药研发!

前 言

如果把中国新药研发比作一匹骏马,这匹骏马开始奋蹄驰骋;如果把中国新药研发比作一只雄鹰,这只雄鹰开始展翅高飞;如果把中国新药研发比作一台机器,这台机器开始加足马力。新药研发性质使然,注定三高一长,如何应对高风险、高投入和长周期,一直是科学家、企业家们密切关注努力攻克的一个世界难题。人工智能AI)、大数据(Big Data)、机器学习(Machine Learning),这些最新的技术正在与新药研发嫁接,带来了新的机遇,取得了喜人的进展。除此之外,还有哪些值得我们关注的热门技术呢?

2019年3月26日,中美冠科生物技术有限公司(Crown Bioscience Inc.)宣布与荷兰Hubrecht Organioid Technology(HUB)建立战略合作伙伴关系。该协议为中美冠科提供了专属授权,中美冠科可以使用HUB的类器官技术提供临床前肿瘤药物开发和验证服务,包括有权使用所有HUB高度表征的肿瘤及其相应正常组织类器官库。

这条行业新闻立即受到药时代的关注。类器官究竟是什么利器宝物?与我们已有的技术、工具有何差异之处?将如何解决世界难题而助力中国新药研发?

带着这些问题,药时代连线大洋彼岸的李其翔博士,中美冠科的首席科学官,请他为我们介绍这一横空出世、蓄势待发的”秘密“武器,讲述背后那些趣味横生令人听得津津有味的一个个故事。

既生PDX,何生PDO(organoids)?试看登上《科学》封面的类器官如何助力新药研发!

李其翔博士

新药梦想三十年

李博士先后毕业于中国科技大学和复旦大学,分别获得生物学士学位和生物物理硕士学位。1985年,怀揣着美好的梦想,他远渡重洋,赴美国留学。那时候出国留学刚刚开始,出国的中国学子凤毛麟角,屈指可数。获得加州大学欧文分校分子生物学/生物化学博士学位之后,他加入了加州大学洛杉矶分校,从事博士后研究。之后,李博士进入了工业界,曾在美国多家生物技术公司担任研发主管或高级总监。李博士聚焦癌症病毒感染领域,生物医药研发经验非常丰富。

李博士于2011年4月加入了世界知名研发服务公司中美冠科,先后担任转化肿瘤学执行总监、副总裁、生物标志物诊断技术副总裁、全球科学研究与创新高级副总裁,2019年1月份荣升为中美冠科肿瘤学、炎症免疫学首席科学官。

李博士领导中美冠科全球科学研究和创新部门,致力于提高产品更新、创新速度以及优化生物技术服务。2011年至2016年,李博士领导并成功扩展了中美冠科的PDX(Patient Derived Xenograft)肿瘤移植平台。在他的领导下,中美冠科的PDX模型数量在短短的几年内从最初的~200个增加到现在的3000多个,位列世界第一。2016年至2018年,李博士领导生物标志物和诊断技术部开发新的转化技术,用于精确的肿瘤诊断、预测性生物标志物、免疫肿瘤生物标志物的检测和定量,以及少数细胞识别和表征。

时光如箭,岁月如梭,一晃三十多年过去了。李博士的那份新药梦想和情怀依旧执着。李博士还受邀担任北京大学重点实验室访问教授,主编了3本药物研发技术书籍,发表了60多篇生物医学学术论文。此外,李博士还曾担任《Current Signal Transduction Therapy》的编委。他继续以不同的角色和形式为实现新药梦想而孜孜以求,不懈努力。

PDO之前的成熟技术

说到药物发现,这是一项精细复杂的集科学和技术于一体的浩大工程,覆盖了从hit到lead,lead optimization、candidate selection及临床验证等一系列重要环节。位于源头的hit,既有根据靶点结构进行人工设计的,也有通过高通量筛选(high throughput screening,HTS)而获得的。无论哪一种方法,你都需要一双”眼睛“来分析判断一个化合物是否有成药的潜力。这双眼睛就是各种各样的测试技术,包括使用各种实验模型,以癌症药为例,诸如体外培养细胞系、基于细胞系的异种移植肿瘤(cell line derived xenograft, CDX)、基于病人肿瘤的异种移植肿瘤(PDX),等等。

提及体外培养细胞系,不可不提NCI-60。NCI-60是美国国立卫生研究院NIH)旗下的国家癌症研究所(NCI)于1990年推出的作为肿瘤研究标准模型的60种癌症细胞系及基于这些细胞系的CDX模型。作为行业的一个金标准平台,各种肿瘤相关的药物也基本上会首先参照NCI-60进行测试。2016年年初,NCI宣布了一项重要声明:因为预测的准确率比较低,在癌症研究领域已经服务25年之久的NCI-60被“退休”。取而代之的技术平台就是PDX模型。该模型将取自患者的肿瘤组织小块植入实验小鼠的体内,通过维持肿瘤干细胞及模拟其原来的生长环境而最大程度地保留肿瘤自身的各种特征,由此生长的肿瘤还可移植给其它小鼠而传代,遗传稳定性和病理稳定性都得到很好的保持,样本规模可以不断扩大,从而满足各种研究的需求。而CDX既不具有与病人的相似性,也不具备这些稳定性的。PDX模型无论在临床诊断上,还是在药物研发上都有广泛的应用前景,包括:个性化用药指导、药效筛选、生物标记物研发。2014年10月,PDX登上《科学》杂志的封面,将PDX模型的研究与应用推上新的高潮。

NCI和很多研究机构(美国独立研究机构杰克逊实验室、由16个欧洲研究机构组成的EurOPDX)和商业公司等都建立了自己的PDX模型库。NCI目前已建有1000多个PDX模型。中美冠科凭借3000多个PDX模型而位列行业第一

既生PDX,何生PDO?

既然PDX有如此大的应用前景,PDO又是如何诞生的呢?为了回答这个问题,李博士首先分享了他关于癌症的观点。

癌症是当今最火热的研究领域之一。人类在攻克癌症的这场战争中前赴后继,志在必得。孙子曰:“知彼知己,百战不殆”。那么,我们对癌症真的了解吗?怎么看待cancer呢?首先,癌症是一种基因疾病(genetic disease),患者的基因发生了改变;其次,癌症是一种免疫性疾病(immunological disease)。人体的免疫系统发生了问题,无法识别、攻击体内的癌细胞;第三,癌症不是单一疾病。每个患者都不一样,同一个患者的不同部位的肿瘤也可不一样。大量文献表明肿瘤之间有着非常多的异质性(heterogeneity)特征,比如癌症患者之间、同一患者的不同肿瘤之间,甚至是同一肿瘤的内部都存在着肿瘤异质性。这是由于肿瘤基因、表观遗传等因素共同导致的。癌症是动态的疾病,随着时间会发生动态变化,如发生转移,也可产生针对治疗药物的耐药性。这使得癌症一旦扩散到其它器官并耐药,就几乎不可能被治愈。数据统计显示,超过90%的癌症死亡都是因为癌症转移和耐药。

由于肿瘤的异质性,没有一个药物能治疗所有的癌症,个体化/精准医疗是未来的癌症新药研发的发展方向,即用不同的方案达到精准治疗的目的。另一方面,癌症临床试验有非常高的失败率,多数原因是因为选错了试验病人群体,常言道:“There is no bad drug, but only bad clinical trial”(”没有差劲的药物,只有糟糕的临床试验“)。选错试验病人的主要原因往往是没有使用具有预测性而能够代替患者“试药”的实验模型(“bad preclinical model”)。因此,我们对实验模型的要求是能够反映病人癌症的特征,换句话说,需要有能够代表肿瘤特征的临床前研究模型来为精准医疗提供研究基础。

PDX是一种具可预测性的实验模型。但它有其固有的短板,包括:移植成功率较低(通常只有恶性高的肿瘤在移植后生长)、测试通量低、价格高、时间长等,动物保护也是一个限制因素。此外,还有一个重要的方面,那就是:癌症是免疫疾病,T细胞为代表的免疫系统扮演着关键的角色,PDX模型建立在有免疫缺陷的小鼠体内,不代表人类患者的免疫环境。研究人员在尝试开发能模拟完整的人类免疫系统的小鼠模型,但目前还没有达到理想的效果。

那么,什么是PDO呢?

PDO是Patient Derived Organoid的缩写,直译为“源自患者的类器官”,也被称为“肿瘤类器官”,是有望提高新药研发效率和提高肿瘤治疗效果的独特的新工具。《新英格兰医学杂志》用图文的形式对PDO进行了解释。

既生PDX,何生PDO(organoids)?试看登上《科学》封面的类器官如何助力新药研发!

(图片来源:NEJM

体外培养类器官的想法和尝试由来已久,但重要的突破发生在2009年。荷兰科学家Hans Clevers教授在这一方面做出了重要开创性的贡献,最先提出类器官概念,并发现了从多种上皮组织(epithelia)在体外培养干细胞及衍生的“微型器官”(HUB类器官)的方法。2009年,他的研究组在《自然》杂志上发表文章”Single Lgr5 stemcells build crypt villus structuresin vitrowithout a mesenchymal niche“,报道了开创性的重要发现。Clevers教授研究组的这篇文章引起了轰动,全球很多实验室都开始进行相关的研究。2017年,Clevers教授研究组完成了规模宏大的乳腺癌类器官项目,建立全球首个乳腺癌类器官库。

由于类器官在多个重要领域呈现出的巨大的应用前景,被《自然》杂志的子刊《Nature Methods》评为“2017年度生物技术”;2017年5月份,《细胞》杂志子刊《Cell Stem Cell》对Clevers教授等专家进行了专访,介绍了”Advances in Organoid Technology“;2019年2月初,全球顶级医学期刊《新英格兰医学杂志》上发表综述,“Organoids—Preclinical Models of Human Disease”,详细地回顾了类器官的起源、进展与前景预期,文献多达100多篇,非常值得一读。更加令人振奋的是,2019年6月7日出版的全球顶级科学期刊《科学》(Science)格外引人注目!类器官,Organoids,登上了《科学》杂志的封面!而且,本期为类器官特刊。翻开杂志,你可以看到四篇重磅综述文章,以及杂志编辑准备的一篇特刊介绍,”Approximating organs“。其中一篇综述文章“Cancer modeling meets human organoid technology”的作者是Clevers教授和David Tuveson教授。

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李博士从五个方面进一步点评。首先,Clevers教授的这一发现创立了系统的方法,使得上皮组织来源的成体干细胞(adult stem cell)或肿瘤干细胞(cancer stem cell)能在体外长出有序的3D结构,即类器官;其次,相对体内,在体外修改基因要容易得多,研究人员可以使用CRISPR基因编辑工具进行特定的编辑,这赋予了研究人员更多更大的能力;第三,PDX只生长恶性肿瘤细胞,类器官能生长不同恶性程度的类器官。所以PDO的应用范围更广;第四,PDO的药效预测性已经得到越来越多研究的印证。一个实际的例子是,2018年2月23日,《科学》杂志上发表了“Patient-derived organoids model treatment response of metastatic gastrointestinal cancers”,一项关于类器官在化疗药物敏感性测试的临床应用的研究结果。结果表明:在预测抗癌药物的有效性和指导临床用药方面,与患者实际疗效进行对比,类器官有非常出色的预测性:100%的敏感性、93%的特异性、88%的阳性预测值以及100%的阴性预测值。类器官具有预测性能力,可被用来开发具预测性的生物标志物;第五,免疫肿瘤学(IO)方面,如前面介绍的,PDX很难做相关的IO模型,目前总的来说不成功。类器官则不一样。今年,《细胞》杂志发表了两篇文章,其中一篇,“Generation of Tumor-Reactive T Cells by Co-culture of Peripheral Blood Lymphocytes and Tumor Organoids”,来自Clevers教授的实验室。他们的研究结果表明,癌细胞可与T细胞共同培养。这回答了很多重要的问题,开辟了新的可能性。最后,非常有意思而值得一提的是,非癌症类器官可以用于癌症领域以外的研究。这个意义也非常巨大!

在谈到PDO目前的局限时,李博士也指出,PDO的培养基是天然提取物,价格很高,培养时使用的多种细胞生长因子也价格不菲,所以继续降低成本是进一步发展类器官平台的重要方向之一。另一方面,目前类器官只限于上皮组织来源的肿瘤(carcinoma), 探讨非上皮组织来源的类器官也将是将来的另一个研究方向。

中美冠科的PDO布局和目标:建立全球最大的类器官库

中美冠科于2006年创立于美国加州硅谷,现已发展为全球最强的肿瘤和糖尿病药效检测技术公司,在美国、英国、中国和中国台湾均有运营实体。作为一家全球性的研发技术平台公司,中美冠科的目标和宗旨非常清晰明确,那就是:科学驱动,聚焦重点疾病。中美冠科可提供肿瘤、糖尿病及心血管疾病体内及体外药效测试、药物筛选、药物代谢分析及转化医学领域等研究服务和专业解决方案。

基于业务收入、模型数量、从业人员数目等指标,中美冠科极有可能是当今全球最大的临床前肿瘤学平台。十年间,公司积累了大量的数据。这在全球也是独一无二的。公司充分利用大数据、AI、机器学习等新的先进理念和技术,寻找药效与生物标志物之间的关系,找到predictive biomarker,从而帮助精准地筛选药物和患者。

2019年3月26日,中美冠科与荷兰HUB建立了战略合作伙伴关系。HUB是荷兰皇家科学院和乌得勒支大学医学中心基于Hans Clevers教授的开创性工作而成立的一个组织。HUB为其拥有自主知识产权的类器官技术提供许可,并提供HUB生物库类器官,用于临床前药物筛选、发现、开发和验证。此外,HUB正在进行临床研究,以验证该技术作为辅助诊断的用途。

在全球领先的PDX模型的基础上,中美冠科将基于HUB的类器官技术,将建立大量PDO、PDXO(PDX-derived organoid)模型, 并建立一个全球最大的对应匹配PDX-PDXO库, 用于体内体外相关的临床前实验,从而提供更加全面的药理学和转化服务。

这一战略合作是PDO技术从实验室走向工业应用的一个重要的里程碑,也标志着PDO技术在中国落地而助力中国新药研发的一个里程碑。李博士透露,公司已经开展了PDX与PDO这两个互相匹配的强大工具的实际工作,包括将HUB的500多PDO模型转化为PDX模型,将中美冠科的3000多PDX模型转化为PDXO模型,已取得积极的结果。在服务中国新药研发企业和单位的模式方面,中美冠科将考虑FFS(Fee For Service)、FTE (Full Time Equivalent) 等灵活多样的模式,希望尽全力帮助中国新药研发这匹骏马、这只雄鹰、这台机器更快、更高、更强。

后 记

2019年6月19日,中美冠科将在上海举办“第二届中美冠科国际生物医药研讨会——癌症治疗前瞻”,聚焦行业最前沿肿瘤药物发现。此次专题论坛将汇集顶尖生物技术、制药企业的R&D和临床前团队,对现行技术以及如何推进未来发展方向进行深入探讨。重要议题包括:像类器官这样的新型平台是如何助力肿瘤药物研发项目。李其翔博士将第一位演讲,题目是“模拟人类癌症(Modeling Human Cancers)——构建世界上最大的患者衍生的器官源性类器官(PDO)/源自患者的异种移植物(PDX)生物库,用于转化肿瘤学研究”。

回到我们标题中的这个问题,”既生PDX,何生PDO?“,您是否找到满意的答案了呢?是否还有更多的问题和需求呢?

药时代邀请朋友们一起参加盛会,聆听李博士的演讲,和李博士面对面切磋交流。

新时代,药时代,充分利用PDX/PDO等新技术开展新药研发,我们的未来注定更加辉煌精彩!

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参考文献:

(1) 中美冠科和HUB宣布建立战略合作伙伴关系

(2) 肿瘤类器官与个性化/精准治疗研究

(3) 中美冠科官网

(4) 国内优秀CRO公司展示(四):中美冠科

(5) 类器官丨为肿瘤患者替身试药,引领生物与医学研究新风尚

(6) Single Lgr5 stemcells build crypt villus structuresin vitrowithout a mesenchymal niche

(7) Advances in Organoid Technology

(8) Organoids—Preclinical Models of Human Disease

(9) Approximating organs

(10) Generation of Tumor-Reactive T Cells by Co-culture of Peripheral Blood Lymphocytes and Tumor Organoids

(11) Organoid Modeling of the Tumor Immune Microenvironment

(12) Cancer modeling meets human organoid technology

(13) 谈谈肿瘤精准治疗的研究模型—PDX

(14) 若干图片取自网络,版权归拥有者。衷心感谢!

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