日前,清華大學《探臻科技評論》2023“青年最關注的改變未來十大變革科技”榜單發布。類器官芯片被認為“打造仿生的體外模型,醫藥行業的顛覆性技術”上榜。
日前,清華大學《探臻科技評論》2023“青年最關注的改變未來十大變革科技”榜單發布。類器官芯片被認為“打造仿生的體外模型,醫藥行業的顛覆性技術”上榜。
類器官芯片(Organoids-on-Chips)是一種在芯片上構建的器官生理微系統,以微流控芯片為核心,通過與細胞生物學、生物材料和工程學等多種方法相結合,可以在體外模擬構建包含有多種細胞、功能組織界面、生物流體和機械力刺激等復雜因素的組織器官微環境,反映組織器官的主要結構和功能特征。
類器官芯片可廣泛應用于藥物篩選、疾病模擬、個性化醫療、毒性測試等領域,市場前景十分廣闊。跟隨火石創造走進這項新技術,一探類器官芯片產業發展態勢。
?。ㄒ唬┊a業鏈條類器官芯片產業上業包括生物材料制造商、微流控芯片制造商、化學試劑制造商和醫用材料制造商等。生物材料制造商主要生產和供應類器官芯片制造過程中所需的細胞、蛋白質、細胞外基質等生物材料,是類器官芯片制造的關鍵組成部分。微流控芯片制造商生產和供應類器官芯片制造中所需的微流控芯片,負責控制細胞培養的環境和微觀流體的運動。類器官芯片上業是產業鏈條的重要組成部分,對類器官芯片的質量和效果起到關鍵作用。當前,由于類器官芯片行業尚處于發展早期,中下游需求尚未放量。據不完全統計,上游的企業數量占比高達80%。中游為類器官芯片生產制造企業。目前市場規模相對較小,但全球范圍內已經涌現出了不少相關的科研機構、初創企業和大型企業。下業主要是醫療和生命科學研究等領域。在醫療領域,可用于藥物篩選、毒性測試、個體化醫療、移植醫學等方面。在生命科學研究領域,可用于細胞和組織的研究,以及疾病發病機制、藥物作用機理等方面的問題。另外,還可以用于食品安全、化妝品測試、環境保護等方面。
?。ǘ┕δ芊诸惸X器官芯片。一般采用雙通道結構,分別形成神經血管單元的血管端和神經端,中間由多孔聚碳酸酯膜隔開,分別由兩套流路系統進行控制,以模擬在體情況的血腦屏障結構。芯片一側通道為星型膠質細胞,另一側通道為腦微血管內皮細胞,微流泵以恒定的流速灌注培養。
肝器官芯片。大多是在芯片上建立肝臟的部分生理學模型,如膽小管、肝小葉、肝血竇模型等,并利用這些生理模型進行藥物研發和毒理學研究。芯片肝模型的優勢在于能夠在微米量級形成具有部分肝功能的細胞簇,進而構成接近形態學的肝模型,在較長時間內保持肝臟特異性的功能。
腎器官芯片。利用微流控芯片系統對微流體、細胞及其微環境的操控能力,在微流控芯片上構建以在體外模擬腎臟功能為主要目標的集成微系統。腎芯片技術的出現為藥物和疫苗的有效性和安全性評估,以及生物醫學研究提供了更接近真實生理和病理條件的、成本更低的研究模型。
肺器官芯片。含有上下兩個通道,兩個通道由一種薄的柔性的多孔膜隔開。將不同的細胞培養在膜兩側:上通道為人肺泡上皮細胞,下通道為人肺微血管內皮細胞。肺芯片的微裝置中誘導培養了內皮和上皮細胞,可以表現出復雜的器官層次的生理功能。
心臟器官芯片。能夠模擬心臟的不同特性,如機械性收縮運動、分子運輸、電刺激和對某些藥物刺激的特定反應等。在微流體通道中培養不同類型的細胞來產生適當的心臟組織,如心肌細胞(CM)、血管內皮細胞(EC)等。此外,向心臟芯片器官模型中連續灌注培養介質可模擬心肌組織上血流引起的剪切應力,從而準確地研究心肌組織的復雜體系結構。
?。ㄒ唬┦袌鲆幠娜蚩?,2018-2022年間,類器官芯片市場規模從0.21億美元增長至0.88億美元,預計2023年全球類器官芯片市場規模有望達到1.22億美元。
從全國看,2019年以前,類器官芯片行業由于不具備商業化生產能力,國內類器官芯片需求完全依賴進口。2019年以來,隨著我國類器官芯片技術逐步成熟,器官芯片產品加快上市推廣,加之價格優勢明顯,市場規模不斷擴大。2022年,我國類器官芯片市場規模為0.05億美元,占全球的5.69%;預計2023年我國類器官芯片市場規模達0.13億美元,占全球的10.80%。
我國類器官芯片企業主要分布于珠三角、長三角以及北京地區。主要因為類器官芯片企業需要依托創新資源,與高校、醫院、研究機構在成果轉化上進行密切合作。如東南大學蘇州醫療器械研究院由東南大學、蘇州高新區、江蘇省產業技術研究院三方共建,成立以來在腫瘤類器官、心臟類器官、器官芯片及上游材料與設備自動化方面均有突破,孵化出艾瑋得生物等代表企業;復旦大學的遺傳工程國家重點實驗室“類器官中心”以類器官前沿技術開發及其再生醫學應用為研究內容,構建了全球首例人源類器官新冠病毒感染模型。
來源:火石創造根據公開資料整理從企業看,全球類器官芯片行業市場集中度較高,由北美和歐洲地區廠商主導,主要企業有Emulate、Mimetas、TissUse和ValoHealth等,TOP3企業市占率為44.87%。近些年,我國類器官芯片行業取得了較大突破,產品成熟度不斷提升,并實現商業化應用。目前,我國類器官芯片主要企業有北京大橡科技有限公司、安徽駱華生物科技有限公司、江蘇艾瑋得生物科技有限公司、蘇州濟研生物醫藥科技有限公司等。
從全球看,各國政府大力支持和推動產業發展,美國尤為重視。2012年,美國的國立衛生研究院(NIH)、食品藥品監督管理局(FDA)和國防部高級研究計劃局(DARPA)投入了7500萬美元聯合發起“Organs-on-chips”挑戰項目,首次把類器官相關技術上升到國家戰略層面。支持成立國際微生理系統學會(iMPSS)以及IQ聯盟(Innovation and Quality Consortium)等相關產業聯盟組織,設立多家器官芯片測試中心,推進相關行業標準的建立,加快類器官芯片行業的產業化。
2023年1月,FDA允許類器官芯片替代動物實驗應用于藥物的臨床前研究,由此類器官芯片步入新的發展階段。歐盟在政策和資金方面對類器官芯片產業支持力度不斷加大。政策方面,2013年出臺禁止動物用于化妝品測試等政策,極大地促進了行業對類器官芯片等動物替代性技術的關注。資金方面,歐盟投資最多的全球性科技開發計劃——歐盟第七框架計劃(7th Framework Programme),其中包含類器官芯片項目。我國近年來相繼出臺一系列政策,系統性推進類器官芯片產業的發展。
2018-2020年,類器官相關課題連續3年出現在國家自然科學基金項目指南;2021年1月,國家科技部下發《關于對“十四五”國家重點研發計劃6個重點專項2021年度項目申報指南征求意見的通知》,把“基于類器官的惡性腫瘤疾病模型”列為“十四五”國家重點研發計劃中首批啟動重點專項任務;同年11月,國家藥品監督管理局藥品審評中心首次將類器官列入基因治療及細胞治療的驗證指南基因治療產品非臨床藥理學研究;2022年7月,中國首個類器官指導腫瘤精準藥物治療的專家共識面世。此外,國內支持實驗室自建檢測方法(LDT)試點,極大激發了類器官芯片相關企業將產品應用于臨床發展的熱情,目前上海、廣州等地的部分公立醫療機構已經被列為試點綜合類單位。
近年來,類器官芯片技術逐步釋放自身應用價值,落地應用場景不斷拓展和豐富,產業發展進入新階段。未來,類器官芯片產業將會加快與人工智能、高通量檢測技術、基因編輯、3D生物打印和新型生物材料多種創新技術融合,不斷拓展應用邊界,向自動化、高通量、體外實時檢測、精細化、系統化方向發展。從國內市場看,在政策引導下,隨著創新藥和生物藥領域發展迅速,對類器官芯片的需求將進一步高漲。
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