ANZ: Forschungsbericht zur Organoid-Industrie

Die Entwicklung von Organoiden wurde als einer der aufregendsten Fortschritte in der Stammzellenforschung des letzten Jahrzehnts gefeiert. Der Begriff „Organoid“ wurde bereits in den 1980er Jahren vorgeschlagen, aber erst 2009 gelang es dem Team des niederländischen Wissenschaftlers Hans Clevers, Lgr5+ Darmstammzellen in vitro zu einer dreidimensionalen Struktur mit krypten- und zottenartigen Epithelregionen, den sogenannten Dünndarm-Organoiden, zu kultivieren, was ein neues Kapitel der rasanten Entwicklung in der Organoid-Forschung aufschlug ^[1] .

Im Jahr 2013 wurden Organoide von Science zu einer der zehn wichtigsten Technologien des Jahres gekürt. Anfang 2018 wurden Organoide von Nature Method zur besten Methode des Jahres 2017 gekürt. Derzeit wurden zahlreiche Organ-Organoide erfolgreich konstruiert, darunter Dünndarm, Magen, Dickdarm, Lunge, Blase, Gehirn, Leber, Bauchspeicheldrüse, Nieren, Eierstöcke, Speiseröhre, Herz usw., darunter nicht nur normale Organgewebe-Organoide, sondern auch entsprechende Tumorgewebe-Organoide.

Bei der Suche nach „Organoiden“ in der öffentlich veröffentlichten Literatur von PubMed ist in den letzten Jahren die Zahl der Artikel zur Organoid-Technologie stark angestiegen, darunter auch viele Artikel, die in Top-Zeitschriften wie CNS veröffentlicht wurden. Chinas weltweites Ranking hinsichtlich der Anzahl veröffentlichter Artikel über Organoide ist vom sechsten (2009–2019) auf den zweiten (2020) Platz gestiegen und liegt damit nur noch hinter den USA. Der Anstieg der wissenschaftlichen Forschung in China wird die Industrialisierung von Organoiden beschleunigen.

Die Anwendung der Organoid-Technologie in der klinischen Praxis zur Steuerung des klinischen Arzneimitteleinsatzes und der Präzisionsbehandlung ist die wichtigste Entwicklungsrichtung der Organoid-Technologie in der nahen Zukunft. Tatsächlich wird die Organoid-Technologie seit 2016 in klinischen Studien eingesetzt. Bis September 2020 waren 63 klinische Studien offiziell bei der FDA registriert. Seit 2017 wurden in China 20 klinische Studien mit Organoiden registriert und vom Ethikkomitee genehmigt, die 8 Krebsarten abdecken. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Vorhersage der Wirksamkeit von Chemotherapiemethoden, einige Studien konzentrieren sich jedoch mittlerweile auf die Anwendung der Immuntherapie in Organoiden (Changhai Hospital, pd-1). Gemessen an der Verteilung der Krebsarten handelt es sich bei den meisten Krebsarten, die derzeit in China untersucht werden, um Tumore des Verdauungssystems, Bauchspeicheldrüsentumore und Brusttumore.

Ein humanisiertes Tiertransplantationsmodell (PDX) ist ein Tumormodell, bei dem Tumorgewebe in immundefiziente Mäuse transplantiert wird. Zu den Hauptproblemen zählen die niedrige Erfolgsrate bei Transplantationen, die hohen Baukosten, die langen Zykluszeiten und die großen Einschränkungen beim Durchsatz des Arzneimittelscreenings. Darüber hinaus unterscheidet sich die Tumormikroumgebung bei immundefizienten Mäusen etwas von der beim Menschen, und transplantiertes Tumorgewebe kann ebenfalls eine mausähnliche Entwicklung durchlaufen.

Ein für die klinische Anwendung bei Tumoren geeignetes Arzneimittelscreeningmodell muss drei grundlegende Anforderungen erfüllen: die Notwendigkeit, in kurzer Zeit Ergebnisse der Arzneimittelempfindlichkeitstests zu liefern, einen hohen Durchsatz beim Arzneimittelscreening zu erzielen und die Auswirkungen präzise vorherzusagen. In diesen drei Aspekten haben Organoide im Vergleich zu anderen Methoden des Arzneimittelscreenings deutliche Vorteile gezeigt.

1. Schnell

Die Erfolgsrate bei der Organoidkonstruktion ist hoch und die Kulturgeschwindigkeit schnell. Im Allgemeinen kann ein Arzneimittelscreening nach einer Woche Organoidkultur durchgeführt werden. Der gesamte Prozess von der Probenentnahme bis zur Ausgabe der Ergebnisse zur Arzneimittelempfindlichkeit kann nun innerhalb von 2 Wochen gut kontrolliert werden ^[4] .

2. Hoher Durchsatz

Im Hinblick auf den durchführbaren Arzneimitteldurchsatz können Organoide nicht nur mehrere Arzneimittel auf der Mikrotiterplatte durchleuchten, sondern jedes Arzneimittel kann auch in unterschiedlichen Konzentrationen getestet werden, und es können mehrere Experimente parallel durchgeführt werden.

3. Hohe klinische Relevanz

Die klinische Relevanz und prädiktive Validität von Organoiden für das Screening von Krebsmedikamenten wurde in vielen Studien gut belegt. Das Team von Vlachogiannis G veröffentlichte in Science eine wegweisende Studie über die Verwendung von In-vitro-Arzneimittelempfindlichkeitstests an Tumor-Organoiden als Leitfaden für den klinischen Arzneimitteleinsatz. Sie entnahmen 110 Gewebe von 71 Patienten mit metastasiertem Magen-Darm-Krebs, um daraus Organoide zu konstruieren, und testeten insgesamt 55 Krebsmedikamente. Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass das Organoid-Wirkstoffscreening eine Spezifität von 93 %, eine Sensitivität von 100 %, eine positive Vorhersagerate von 88 % und eine negative Vorhersagerate von 100 % erreichte, was eine extrem hohe klinische Relevanz belegt ^[5] .

Die wissenschaftlichen Forschungsanwendungen von Organoiden konzentrieren sich derzeit hauptsächlich auf die Erforschung von Krankheitsmodellen, die Vorhersage der Wirksamkeit und andere Bereiche. Derzeit haben viele Universitäten und Krankenhäuser entsprechende wissenschaftliche Forschungen durchgeführt, etwa die Chinesische Akademie der Wissenschaften, die Tsinghua-Universität, die Zhejiang-Universität, das Beijing Tiantan Hospital und das First Affiliated Hospital der Zhejiang-Universität. Die Vorteile und das Potenzial der PDO-Technologie gegenüber dem herkömmlichen Weg wurden von der akademischen Gemeinschaft anerkannt. Im Jahr 2019 überstieg die Anzahl der von PUBMED veröffentlichten wissenschaftlichen Arbeiten mit Organoiden die jährliche Anzahl der PDX-Modellarbeiten. Im Jahr 2017 wurden in China 20 klinische Studien zu Organoiden registriert oder vom Ethikkomitee genehmigt.

Allerdings wird sich das Wachstum des Organoidforschungsmarktes in Zukunft verlangsamen und die Organoiddienstleister werden sich auf den Verkauf von Reagenzien und Verbrauchsmaterialien konzentrieren. Im Zuge der Weiterentwicklung des wissenschaftlichen Forschungsmarkts werden wissenschaftliche Forschungseinrichtungen ihre eigenen Plattformen für Schulungen und Tests aufbauen und optimieren. Die stark individuellen Anforderungen des wissenschaftlichen Forschungsmarkts erschweren jedoch die Bereitstellung standardisierter Dienste.

Der Schwerpunkt klinischer Forschungsanwendungen liegt derzeit auf der Bereitstellung einer Präzisionsbehandlung für Patienten mit Krebs im mittleren bis späten Stadium. Direkte Arzneimittelstudien an Patienten sind zeitaufwändig, riskant und schmerzhaft. Dies gilt insbesondere für Krebspatienten, denen wirksame Medikamente fehlen und die nur durch Chemotherapie behandelt werden können, da es schwierig ist, rechtzeitig wirksame Lösungen zu finden. Mithilfe von Organoiden können Medikamente im Auftrag von Patienten getestet und eine präzise Behandlung erreicht werden. Derzeit werden Organoide hauptsächlich verwendet, um die Empfindlichkeit von Chemotherapeutika zu testen. Ihr Potenzial für den Einsatz in zielgerichteten Medikamenten und der Immuntherapie ist in der Zukunft jedoch größer.

Derzeit haben Krankenhäuser wie das Nanfang-Krankenhaus, das Changhai-Krankenhaus, das West China-Krankenhaus und das Krebskrankenhaus der Universität Fudan entsprechende klinische Studien durchgeführt. Derzeit befindet sich der klinische Markt für Organoide noch in der Entwicklungsphase: Aufgrund fehlender schriftlicher Richtlinien sind das Bewusstsein der Patienten und die Bereitschaft der Kliniker, Proben für Tests einzureichen, begrenzt. Da die klinische Anwendung von PDO zunimmt, ist zu erwarten, dass im Zuge des Trends zur Präzisionsbehandlung die Nachfrage nach PDO auf dem klinischen Markt deutlich steigen wird. Organoide sind für Patienten von großem Wert, insbesondere für Krebspatienten, denen wirksame Medikamente fehlen und die nur mit Chemotherapie behandelt werden können. Sie können als wirksames Instrument für eine präzise Behandlung dienen.

Die Anwendung von Organoiden auf dem kommerziellen Markt erfolgt hauptsächlich in den Bereichen der Entwicklung neuer Medikamente und der Indikationserweiterung. Derzeit scheitern etwa 85 % der präklinischen Arzneimittel nach Beginn der klinischen Tests in der Entwicklung, was zu enormen Kosten und Verlusten führt. Mithilfe von Organoiden können gründlichere präklinische Wirksamkeitsbewertungen durchgeführt werden, die für die Senkung der Kosten der späteren Arzneimittelentwicklung von großem Wert sind. Bei der Entwicklung von Antitumormedikamenten kann PDO die Tumorheterogenität mit hohem Durchsatz und geringen Kosten widerspiegeln und so die Mängel von PDX-Tiermodellen wirksam ausgleichen. Organoide können als „quasi-klinische Versuche“ der Phase 0 für „Patientenersatz“ dienen, um die Erfolgsquote klinischer Versuche zu verbessern. Derzeit sind auch ausländische Pharmaunternehmen wie Roche und Lilly sowie inländische Unternehmen wie Innovent Biologics, Hengrui, Qilu Pharmaceutical und WuXi AppTec sowie andere Pharmaunternehmen und CROs beteiligt.

Derzeit befindet sich der Markt für organoide Arzneimittelforschung und -entwicklung noch in der Anfangsphase und die Pharmaunternehmen warten noch ab. Die aktuellen Einnahmen der Organoid-Unternehmen stammen hauptsächlich aus Validierungsdienstleistungen. Organoide sind für die Einreichung neuer Arzneimittel nicht zwingend erforderlich. Pharmaunternehmen verfolgen noch immer die Anwendbarkeitsstrategie, und die Reife der Organoidtechnologie und der Probenbestand sind noch begrenzt, was zu den Hauptproblemen bei der Entscheidungsfindung wird. Es lässt sich jedoch nicht leugnen, dass die Organoid-Technologie Pharmaunternehmen in hohem Maße dabei unterstützen kann, Risiken zu managen, Kosten zu senken und die Effizienz zu steigern. Darüber hinaus wird der Markt für Arzneimittelforschung und -entwicklung den größten kommerziellen Wert haben. Im Kontext der Me-Too-Strategie stehen Pharmaunternehmen vor der enormen Herausforderung, Kosten zu senken, die Effizienz zu steigern und die Erfolgsquoten bei der Erforschung und Entwicklung neuer Medikamente zu verbessern. Ihre Zahlungsbereitschaft für den Mehrwert, den Organoide bieten, wird in Zukunft größer sein als auf anderen Märkten.

Am 28. Januar 2021 veröffentlichte das Ministerium für Wissenschaft und Technologie die „Bekanntmachung zur Einholung von Stellungnahmen zu den Projektantragsrichtlinien 2021 für sechs wichtige Sonderprojekte im Rahmen des nationalen Schlüssel-F&E-Programms des 14. Fünfjahresplans“, in der das „Organoid-basierte Modell bösartiger Tumorerkrankungen“ als erste Gruppe wichtiger Sonderprojektaufgaben aufgeführt ist, die im Rahmen des nationalen Schlüssel-F&E-Programms des 14. Fünfjahresplans gestartet werden sollen.

Am 30. November 2021 veröffentlichte das Center for Drug Evaluation der National Medical Products Administration die „Technical Guidelines for Nonclinical Research and Evaluation of Gene Therapy Products (Trial)“ und die „Technical Guidelines for Nonclinical Research of Gene-modified Cell Therapy Products (Trial)“ (1), die erstmals Organoide in die Richtlinien für Gentherapie und genmodifizierte Zelltherapieprodukte einschlossen.

Im Vergleich zu herkömmlichen Tierversuchen bieten Mikrofluidik-Chips drei technische Vorteile:

(2) Bessere Simulation der In-vivo-Umgebung und der Reaktionen : Fähigkeit zur Kontrolle von Zellen und spezifischen Gewebestrukturen sowie Fähigkeit zur Vaskularisierung und Durchblutung von Geweben;

(3) Erleichtern Sie die Überwachung des Gesundheitszustands und der Gesundheitsdynamik: Integrieren Sie Echtzeit-Gewebefunktionssensoren wie Mikroelektroden oder optische Mikroskopiemarker (wie fluoreszierende Biomarker).

Die aktuellen Schwierigkeiten der Biobank sind:

1. Die Probenbibliothek enthält nur begrenzte Gewebe, und die Anzahl der Organoidmodelle und der von ihnen abgedeckten Krebsarten ist weitaus geringer als bei pdx:

1a. Am häufigsten werden folgende Krebsarten gespeichert: Lungenkrebs, Dickdarmkrebs, Magenkrebs, Brustkrebs und weitere häufigere Arten sind Bauchspeicheldrüsenkrebs sowie Kopf- und Halskrebs.

1b. Da Organoid-Unternehmen Proben hauptsächlich durch die Durchführung von Arzneimittelempfindlichkeitstests gewinnen, ist die Lagerkapazität von Organoiden aus normalem Gewebe sehr begrenzt.

2. Die Kosten für die Kultivierung und Pflege von Organoidmodellen sind hoch und die Technologie ist zudem unzureichend. Die Ausfallrate bei der Wiederherstellung und Expansion von Organoiden ist hoch und die Stabilität der Kryokonservierung muss weiter erforscht werden.

Auf dem Gebiet der Organoide hat China in den letzten Jahren, insbesondere in den beiden Jahren 2019 bis 2020, einen deutlichen Anstieg der wissenschaftlichen Forschung verzeichnet, was auf eine starke Entwicklungsdynamik hindeutet. Die Zahl der veröffentlichten Artikel ist vom sechsten Platz weltweit (2009–2019) auf den zweiten Platz (2020) gestiegen und liegt damit nur noch hinter den Vereinigten Staaten.

Aus Tabelle 5 lässt sich schließen, dass es im Ausland relativ wenige Unternehmen gibt, die sich auf Organoide konzentrieren. Viele Unternehmen konzentrierten sich zunächst auf Stammzellengeschäfte und expandierten erst später in den Organoidsektor. Aufgrund der oben genannten Hindernisse gibt es in China nicht viele Organoid-Unternehmen, die sich mit der Untersuchung von Tumormedikamenten befassen. Unternehmen, die erfolgreich Mittel aufgebracht haben (wie Ketu, Chuangxin usw.), sind jedoch in der Lage, eigenständig innovative organoide Verbrauchsmaterialien zu entwickeln und verfügen über ihr eigenes, einzigartiges Know-how in allen Aspekten der Organoidkultivierung. Im Vergleich mit anderen Ländern hinken ihre Fortschritte bei der Industrialisierung nicht wesentlich hinterher.

Gemessen an der Anzahl und Höhe der Investitionen und Finanzierungen befindet sich die gesamte Organoid-Industrie noch in einem relativ frühen Stadium und hat in China noch keinen zentralisierten Industriecluster gebildet. Der Wettbewerb hat gerade begonnen. Unternehmen, die über grundlegende technologische Vorteile, eine komplette Produktionskette und eine frühe Positionierung in der Branche verfügen, werden einen First-Mover-Vorteil haben.

Eine weitere Entwicklungsmöglichkeit besteht darin, dass die Industrie im In- und Ausland derzeit noch keine vollständigen Standards etabliert hat. Daher können chinesische Organoid-Unternehmen und Forschungseinrichtungen aktiv an der Standardisierung der Organoid-Technologie und der Erstellung von Anwendungsrichtlinien teilnehmen und so in Zukunft einen beherrschenden Vorteil und eine Stimme in der Branche erlangen ^[11] .

2. In vitro-β-Zell-Organoide sollen eine neue Lösung für die Regeneration von Pankreasinseln bieten

2. Immunisierung. Zu den Schwierigkeiten, die über die Gefäßbildung hinausgehen, gehört die Simulation der Wechselwirkung zwischen dem Tumor und der Immunumgebung. Im Jahr 2019 veröffentlichte Nature Protocol ein Protokoll für die Ko-Kultur von Tumor-Organoiden und Immunzellen, das einige Eigenschaften der Tumormikroumgebung widerspiegeln und simulieren kann ^[6] . Am Beispiel des Kokulturmodells aus Epithelorganoiden und Immunzellen lässt sich die Interaktion zwischen Organoiden und Immunzellen neu gestalten, indem man dem Kulturmedium aktivierte Immunzellen hinzufügt, die Gewebe nach der Verdauung in Einzelzellen zusammen mit den Immunzellen wachsen lässt und rekombinante Zytokine in die ECM einbringt.

3. Systematisierung. Im Vergleich zu einzelnen Organoiden kann die Konstruktion von Organoidsystemen eine vollständigere und umfassendere Bewertung der Wirksamkeit und potenziellen Toxizität von Arzneimitteln ermöglichen. Derzeit können Organoide nur die hemmende Wirkung von Medikamenten auf Tumore erkennen und nicht vorhersagen, ob es in anderen Organen und Geweben weitere Nebenwirkungen und Sicherheitsrisiken gibt. Um dieses Problem zu lösen, haben Skardal et al. im Jahr 2017 konstruierten ein Organoidsystem, bestehend aus Herz, Lunge und Leber, integriert in ein geschlossenes Kreislaufsystem, um die Toxizität und Wirksamkeit von Medikamenten auf verschiedene Organe vollständig aufzudecken ^[7] .

Wenn Organoide nach etwa zweimonatiger Kultivierung nicht mehr ausreichend mit Nährstoffen versorgt werden, unterscheiden sie sich hinsichtlich der Gefäßbildung deutlich von Organen im Körper. Für das Arzneimittelscreening können die Organoide jedoch verwendet werden, solange sie in einer geeigneten Umgebung zu Zellkugeln heranwachsen.

Wenn beispielsweise der Forschungsschwerpunkt eines Arzneimittels auf der Notwendigkeit liegt, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden, dann liegt der Schwerpunkt bei der Konstruktion von Gehirn-Organoiden auf der Notwendigkeit einer vollständigen Blut-Hirn-Schrankenstruktur, und anderen Merkmalen (wie der Interaktion zwischen Zellen und umgebenden Blutgefäßen) wird möglicherweise keine Priorität eingeräumt.

Durch Vaskularisierung, Immun-Kokultur und Systematisierung kann die Genauigkeit klinischer Vorhersagen für Organoide weiter verbessert werden. Angesichts wichtiger Anwendungsfaktoren wie Zyklus und Kosten ist es jedoch nicht möglich, alle Bedingungen zu berücksichtigen. Wenn diese Merkmale zu überschaubaren Kosten erreicht werden können, wird das Organoid-Arzneimittelscreening eines Tages genauere Antworten liefern können.

Karte | Li Lening

Herausgeber | Huang Zien

Quellen:

1. Sato, T., Vries, RG, Snippert, HJ, van de Wetering, M., Barker, N., Stange, DE, van Es, JH, Abo, A., Kujala, P., Peters, PJ, & Clevers, H. (2009). Einzelne LGR5-Stammzellen bilden in vitro Krypta-Villus-Strukturen ohne mesenchymale Nische. Nature, 459(7244), 262–265. https://doi.org/10.1038/nature07935
2. Regnard, G., & Hamers, S. (28. Mai 2020). Organoide: Definition, Kultivierungsmethoden und klinische Anwendungen. CytoSMART. Abgerufen am 7. Mai 2022 von https://cytosmart.com/resources/organoids
3. Weltgesundheitsorganisation. (2020, 1. Januar). Länderprofil „Krebs – China 2020“. Weltgesundheitsorganisation. Abgerufen am 18. April 2022 von https://www.who.int/publications/m/item/cancer-chn-2020
4. Li, M. & Izpisua Belmonte, JC (2019). Organoide – präklinische Modelle menschlicher Krankheiten. New England Journal of Medicine, 380(6), 569–579. https://doi.org/10.1056/nejmra1806175
5. Vlachogiannis, G., Hedayat, S., Vatsiou, A., Jamin, Y., Fernández-Mateos, J., Khan, K., Lampis, A., Eason, K., Huntingford, I., Burke, R., Rata, M., Koh, D.-M., Tunariu, N., Collins, D., Hulkki-Wilson, S., Ragulan, C., Spiteri, I., Moorcraft, SY, Chau, I., … Valeri, N. (2018). Von Patienten stammende Organoide modellieren die Behandlungsreaktion bei metastasiertem Magen-Darm-Krebs. Science, 359(6378), 920–926. https://doi.org/10.1126/science.aao2774
6. Cattaneo, CM, Dijkstra, KK, Fanchi, LF, Kelderman, S., Kaing, S., van Rooij, N., van den Brink, S., Schumacher, TN, & Voest, EE (2019, 18. Dezember). Tumor-Organoid-T-Zell-Kokultursysteme. Naturnachrichten. Abgerufen am 19. April 2022 von https://www.nature.com/articles/s41596-019-0232-9/
7. Skardal, A., Murphy, SV, Devarasetty, M., Mead, I., Kang, H.-W., Seol, Y.-J., Shrike Zhang, Y., Shin, S.-R., Zhao, L., Aleman, J., Hall, AR, Shupe, TD, Kleensang, A., Dokmeci, MR, Jin Lee, S., Jackson, JD, Yoo, JJ, Hartung, T., Khademhosseini, A., … Atala, A. (2017). Multi-Gewebe-Interaktionen in einer integrierten Organ-on-a-Chip-Plattform mit drei Geweben. Wissenschaftliche Berichte, 7(1). https://doi.org/10.1038/s41598-017-08879-x
8. Salmon, I., Grebenyuk, S., Abdel Fattah, AR, Rustandi, G., Pilkington, T., Verfaillie, C. & Ranga, A. (2022). Entwicklung neurovaskulärer Organoide mit 3D-gedruckten Mikrofluid-Chips. Labor auf einem Chip, 22(8), 1615–1629. https://doi.org/10.1039/d1lc00535a
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Quelle: ANZ Capital