小鼠or类器官？6大案例了解人源化模型新进展
编者按：
近年来，随着医学领域的不断发展，能够表征人体生理功能的体内和体外模型越来越重要。那么，现在有哪些人源化的体内和体外模型呢？
今天，我们特别关注人源化模型。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发与帮助。
① 从动物模型到类器官
动物模型仍然是基础研究和临床前研究的重要工具之一。然而，小鼠等动物虽然与人类很相似，但却并非一模一样，因此从它们身上获得的结果可能对临床的指导意义有限。
幸运的是，得益于基因编辑技术，动物模型已经变得更加越来越“像”人，并能更好地产生与人类更加类似的结果。事实上，人源化的动物模型已经非常普遍，可以从许多供应商处购得。这类人源化模型，包括移植了人类细胞或经工程设计后可以表达人类基因产物的小鼠。
随着人源化动物模型的发展，器官芯片（OOC）模型的开发也不断推进。OOC模型的复杂性各不相同：有些是单器官芯片，有些则是可以捕捉系统生物学微妙机制的多器官微生理体系。因为这些特征，OOC模型开始在药物开发和临床前安全测试中发挥作用，而且它们有着更广阔的前景。
② 案例1：免疫学动物模型
根据Taconic Biosciences公司商业产品部副总裁Michael Seiler博士的说法，“对免疫学的高度关注促进了系统生物学的发展，这影响了研究者如何使用免疫活性和免疫缺陷动物模型。”
Taconic公司使用饮食诱导的NASH B6小鼠模型就是免疫活性模型的一个例子，它复现了非酒精性脂肪性肝炎中出现的进行性和慢性肝脏炎症。NASH B6小鼠拥有功能完善的免疫系统，可以在治疗性研究中帮助研究人员预测临床研究的结果。而且，这一模型可以支持各类治疗性研究。
然而，学术界对于免疫缺陷的动物模型，也有着同样强烈的需求，特别是那些通过移植人的原代细胞而获得某些人体免疫特征的动物模型。此类动物模型就包括人源化小鼠。
Seiler说：“鉴于构建人体免疫系统体内模型的复杂性，我们发现研究人员对免疫缺陷模型可选性的要求越来越高。最显而易见的选择包括对宿主小鼠以及原代人体细胞的选择，因为这两点会影响构建的模型与实验设计和研究目标之间的匹配度。”
Taconic公司新增了huNOG-EXL EA小鼠模型，进一步扩大了其人源化模型的组合。huNOG-EXL EA模型提供了一个更长的研究窗口期，比2016年推出的初代huNOG-EXL模型的窗口期要长得多。
因此，与许多标准的人源化模型一样，初代huNOG-EXL模型通常在移植后数周才交付，因为Taconic公司必须确认初代huNOG-EXL模型中已出现了人源的细胞分化。
huNOG-EXL EA依然保留了huNOG-EXL的优势。例如，它支持多种人体的、已知会影响适应性免疫的细胞类型的分化，包括骨髓细胞和淋巴细胞。此外，它还格外可靠和一致。
更重要的是，huNOG-EXL EA模型可以在移植后不久——该模型尚未显示出完全的人源化免疫系统时，马上提供给客户。这种可以更早获得的模型，允许科研人员在小鼠上更早地植入肿瘤，同时确保模型的人源化免疫系统能够按预期成熟。
最近的另一个免疫学模型，即在B6小鼠的遗传背景下构建的B细胞缺陷Jh小鼠模型，它可以帮助研究人员更有效地研究生物制剂。例如，该模型能够帮助研究人员规避抗药物抗体开发过程中可能出现的并发症和风险。
此外，Taconic公司将于近期宣布一项针对微生物组的动物模型计划，以消除迄今为止限制研究人员的障碍。
③ 案例2：更易获得的动物模型
最近的动物模型供应链问题使得研究人员在动物模型上变得比以往更为谨慎。每一位研究人员都在紧迫地思考如何才能让动物模型更易获得，即更容易繁殖、饲养、甚至可替换的动物模型。
Jackson实验室（JAX）为世界各地的研究人员提供了创新的动物模型和临床前体内服务。这些模型符合FDA最近发布的指令，即寻求非人灵长类动物替代模型。一些平台，包括免疫人源化小鼠模型和遗传多样性动物模型，可以满足上述需求，并产生转化相关的数据。
JAX的最新平台之一评估了细胞因子释放综合征（CRS）。该平台是一种移植外周血单核细胞（PBMC）形成的人源化小鼠，可用于评估免疫刺激疗法，如嵌合抗原受体（CAR）T细胞和双特异抗体。这些治疗方法已显示出巨大的前景和疗效，但它们会导致PBMC过度表达细胞因子，引起CRS。
直到最近，CRS临床前筛选的唯一选择，依然是体外平台和非人灵长类动物模型。然而，人源化小鼠模型的出现打破了这一僵局，提供了速度更快、可及性和功能性更强的方法，这或有助于临床前筛选。
JAX公司高级科学项目经理Brian Soper博士说：“我们又对这个平台做了一点改进，我们给缺失MHC-I和MHC-II的小鼠移植了人源细胞，结果显示急性移植物抗宿主疾病的发生出现了极大的推迟。这一改进使得研究人员可以在一个更接近人体免疫系统的模型中进行更长期的疗效研究。”
JAX的另一项举措是提供更多遗传多样性的模型，如J:ARC和HET3小鼠模型。
“这些品系的差别很大，”Soper指出，“但它们在研究和临床前测试方面有着共同的价值，因为它们的遗传异质性，使得我们能够模拟不同群体中可能出现的生物分子相互作用。”
遗传多样性模型的应用范围，包括安全性、毒理学筛选和定量性状基因座（QTL）定位。HET3模型在衰老领域也有独特的地位，因为它可以模拟一些人群衰老的性别差异。
遗传多样性平台也有利于精准医学治疗的实施。例如，这些平台不仅为是否应该实施治疗方案提供信息，而且还能优化病人分层，找出那些对于某一治疗具有更好安全性和疗效的病人。
④ 案例3：用于研究新冠病毒的模型
新冠疫情大流行面临的挑战之一，是缺乏有助于研究SARS-CoV-2病毒感染的人类免疫细胞的动物模型。然而，这样的动物模型已经开始出现了。
例如，Charles River实验室已经开发了易受COVID-19影响的人源化小鼠模型。据该公司科学和商业开发高级主管Steve Festin称，这些新模型可以帮助研究人员了解人体免疫系统中的不同细胞是如何应对早期SARS-CoV-2感染的。
通过与GemPharmatech的合作和授权，Charles River公司最近推出了hACE2-NCG小鼠模型。该模型基于三重免疫缺陷的NCG小鼠，在小鼠ACE2基因座上敲入了人类ACE2基因。
Charles River 方面表示：“在这个模型中，小鼠细胞内结构域在内源性序列的转录调控下表达ACE2，以模拟ACE2在肾、肺、肠等多种组织类型中的生理表达模式。”
该公司还表示，其“基因人源化”模型也能够用PBMC或CD34阳性细胞进行 “免疫人源化”。
图. 在包含64个组织培养芯片的Mimetas OrganoPlate上进行的高通量化合物筛选。
⑤ 案例4：人体器官模型
想要成功地开发药物，就需要在正确的疾病背景下研究化合物和靶点。在药物开发初期使用错误的模型，很可能导致药物开发的失败，这一点从候选新药的高流失率中也可以看出。
Mimetas公司的健康和患病人体器官模型，可以检测开发和筛选成千上万的化合物。该公司将这些模型定位为用于药物开发的早期阶段，包括靶点和化合物的挖掘。该公司目前可使用的器官模型涵盖了肾脏、肠道、肺、肝脏、大脑、血管、骨髓、肿瘤、胎盘和免疫系统。
该公司的核心产品是一个器官芯片平台（OrganoPlate）。其他产品包括即用即测的三维组织模型（OrganoReady模型）、用于测量跨膜电阻的仪器（OrganoTEER）以及用于驱动灌注流的仪器（OrganoFlow S和OrganoFlow L）。
Mimetas公司的服务，包括化合物分析、筛选服务以及定制模型和检测开发服务。为了进一步支持客户，Mimetas公司还参与药物开发合作。另外，该公司的表型筛选中心也可助力于大规模的筛选项目。
“最近推出的产品包括OrganoStart和OrganoStart Pro软件包、OrganoReady血管和血管床产品，以及可进行高通量筛选的OrganoPlate 3-lane 64。”Mimetas公司首席执行官Paul Vulto博士说。
“使用3500个OrganoPlate 3-lane 64芯片，我们在三维血管生成试验中重复筛选了1546个化合物[1]。我们还与默克公司合作发表了一项模拟炎症发生的试验[2]。”
OrganoPlate平台还包括专有的PhaseGuide技术，旨在摆脱人工膜的局限，允许细胞和凝胶基质进行水平分层。据Mimetas公司称，这项技术可以“实现精确地、无障碍地分辨三维的培养基质和细胞，支持细胞与细胞之间的相互作用以及前所未有的成像和量化”。
在最近的一篇论文中[3]，Mimetas公司的科学家断言：“该平台的共培养能力，可以用于建立复杂的组织结构，例如，通过将间充质细胞和免疫细胞整合到邻近上皮管的ECM中。”
基于微孔板足迹检测、由玻璃和聚苯乙烯等惰性材料组成的40至96孔的OrganoPlate能够与显微镜、读板机和机器人系统完全兼容。
“我们套件灵活的产品、高通量的检测方法，以及围绕OrganoPlate的丰富的仪器生态系统，使我们成为生理学相关建模的首选公司，”Vulto断言，“我们平台的吞吐量和自动化使它很适合早期药物开发。疾病背景是破解疾病奥秘的一个关键部分。大量的化合物正因为我们模型的数据，被推进或停止测试。”
图. Emulate的器官芯片。
⑥ 案例5：器官芯片模型
Emulate公司首席科学官Lorna Ewart博士说：“为了推进人类预测生物学的发展，我们建立了能够高度模拟人类生理学的生物模型。每个器官都是高度复杂的。我们的理念是从最简单的层面开始，然后再逐层地增加复杂性。”
Emulate公司的器官芯片采用了聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料，来支持由多孔膜分隔的两个平行的独立微流控通道。通过从靶标器官中提取上皮细胞和内皮细胞，然后将它们分别添加到上层通道和下层通道中，就可以实现组织-组织接触界面。
微流控技术让可控制流速的培养基流过细胞表面，以模拟体内细胞会受到的剪切压力，这对细胞来说是一个重要的信号。“PDMS还允许我们应用机械压力，这是模拟肺部和肠道等器官的另一个关键点，”Ewart指出，“这增强了生理相关性。”
代表肺、肠、肝、肾和大脑的五个产品系列以Bio-Kit的形式提供，其中包括器官芯片、Pod便携模块、合格的人类细胞和芯片激活试剂。Bio-Kit资源还包括了有效的协议。
这些芯片也为希望自己构建模型的研究人员提供了基础。最近，结肠-小肠芯片和脑芯片的应用，揭示了炎症的引入和药理调节机制。
在最近的一项研究中，Emulate公司对其肝脏芯片进行了预测性毒理学测试。利用780个肝脏芯片，对27种已知的肝脏毒性和非毒性药物进行了盲法组合评估。
“我们想知道，对于预测药物引起的肝损伤，人类肝脏芯片的有效性有多高，”Ewart说，“结果显示，在区分肝脏毒性和非肝脏毒性的小分子时，人类肝脏芯片具有87%的敏感性和100%的特异性[1]。”
值得注意的是，本次测试的所有22种肝毒性药物以前都被列为“安全药物”，因为它们在动物模型中没有显示出毒性。而这些化合物却总共导致了208名病人死亡和10例肝脏移植。Ewart表示，如果在临床前筛选过程中使用了人类肝脏芯片，那么就可能可以避免部分死亡事件。
一个财务框架分析评估了该技术的经济影响，结果显示，在新的候选药物的医药开发项目中使用肝脏芯片，可以节约相当于30亿美元的研发生产力[4]。
图. CN Bio Innovations公司开发的器官芯片（OOC）平台。
⑦ 案例6：多器官微生理学系统
替代动物模型的潜在方法包括多器官微生理系统（MPS）。除了提供一种符合3R原则的方法外，MPS还可以产生比动物模型的研究结果更具有临床意义的体外研究成果。
目前，MPS的主要应用包括疾病建模，吸收、分布、代谢和排泄（ADME）测试，以及毒理学/安全性测试。
CN Bio Innovations公司的MPS可能包含几个器官芯片系统，比如肺部、肝脏和肠道系统。代表单个器官的系统可以连接成多器官系统，以模拟药物吸收和代谢等过程，或推进器官间相互作用的研究，如炎症。
CN Bio公司的经营范围，包括MPS、经过验证的3D细胞培养物、配套的耗材和研究服务。该公司认为，其产品可以解决许多治疗领域的药物开发瓶颈，包括代谢和传染病、肿瘤和炎症。
PhysioMimix系列的单器官和多器官MPS，利用微流控技术来模拟血流并精确控制细胞微环境。
在一项合作研究中，CN Bio公司和FDA的科学家共同证明了使用PhysioMimix肝脏芯片系统得出的数据适用于药物安全和代谢应用，证明了其相对于标准体外模型的增强性能[5]。
目前有许多器官芯片系统是互补的。CN Bio公司首席执行官David Hughes博士说：“生理相关性和通量之间存在着反比关系。”
Hughes继续说道：“这种器官芯片的培养最长可达四周，这可以支持研究人员对长期用药的研究，研究长期用药与药物诱导的肝损伤之间的潜在联系。”
此外，新的、相互连接的多器官（肠道和肝脏）模型在实验室中重现了人体内的生理过程，如用于评估药物生物利用度的首过代谢。
开放式架构系统提供了灵活性。新的PhysioMimix模型经过微调，通过应用器官间和器官内的特定流速，提供与人体相关的剪切力，以尽可能地与人类的对应器官相匹配。专门设计的硬件和耗材可支持组织的特定要求，如对肠道菌群至关重要的氧气梯度。
参考文献：
1. Soragni C, Ng CP, Heijmans J, et al. A robotised 1546 compound screen in a perfused 3D microfluidic angiogenesis assay. Poster presented at SLAS Europe 2021; June 22–25, 2021; Vienna, Austria.
2. De Haan L, Suijker J, van Roey R, et al. A Microfluidic 3D Endothelium-on-a-Chip Model to Study Transendothelial Migration of T Cells in Health and Disease. Int. J. Mol. Sci. 2021; 22(15):8234. DOI: 10.3390/ijms22158234.
3. Trietsch SJ, Naumovska E, Kurek D, et al. Membrane-free culture and real-time barrier integrity assessment of perfused intestinal epithelium tubes. Nat. Commun. 2017; 8(1): 262. DOI: 10.1038/s41467-017-00259-3.
4. Ewart L, Apostolou A, Briggs SA, et al. Qualifying a human Liver-Chip for predictive toxicology: Performance assessment and economic implications. bioRxiv. Preprint posted on December 29, 2021. DOI: 10.1101/2021.12.14.472674.
5. Rubiano A, Indapurkar A, Yokosawa R, et al. Characterizing the reproducibility in using a liver microphysiological system for assaying drug toxicity, metabolism, and accumulation. Clin. Transl. Sci. 2021; 14: 1049-1061. DOE: 10.1111/cts/12969.
原文链接：
https://www.genengnews.com/topics/translational-medicine/animal-models-and-microfluidic-tools-with-a-human-touch/
作者：MaryAnn Labant