[编者按]器官芯片（Organs-on-chips，简称 OoCs）是近年来诞生的一项变革性生物医学技术。它是通过干细胞、生物材料、纳米加工等前沿技术的交叉集成，在体外构建器官微生理系统，从而模拟人体器官的生理结构和生理功能，在医学研究、疾病模拟、新药研发、毒性预测、个性化治疗等方面具有广泛的应用潜力。2016年，器官芯片技术被达沃斯世界经济论坛列为“十大新兴科技”之一，被视为未来人类医学进步的重要推动力。
为此，芯航编译了两篇器官芯片领域的前沿论文，供读者了解其最新发展动态。以下为第二篇《个体患者的“身体”芯片—类生命体理论如何转化为个体精准治疗方法》。
12年前体外复制人类系统有机体生物学的概念首次被提出。这种概念当时称为人体芯片，声称微生理系统将成为在体外以生物学可接受的最小规模模拟人体生理学和形态学的相关技术平台，并且因此能够以前所未有的精准度为所有患者进行个性化治疗。同时，首个人类类器官为干细胞衍生的复杂三维器官模型，该模型可在体外扩增和自组织，已经证明只要对人类干细胞进行相应个体发生刺激，即可在体外自组装微型早熟人类器官样结构。此类早熟类器官能够精确地反映人体中相应器官的多种不同生理和病理生理特征。
本文将先前的人体芯片概念进一步发展为类生命体理论。本文描述了现行概念和原理，通过人工短期形态发生自组装过程来模拟个体从卵细胞到性成熟生物的个体发生过程，从而创建一系列类生命体（即生理上相当于成熟人体的无意识、无情感的微型体外结构）。随后，根据本文所述概念和原理，可在体外很长一段时间内维持此类个体类生命体处于自我维持的功能健康稳态。通过自然或人为诱导疾病干扰一部分健康类生命体的方式来模拟个体的疾病过程。最后，我们讨论了使用这一系列健康和紊乱类生命体来预测性地选择、计划和进行个体患者的个性化治疗或精准用药。本文强调了类生命体理论对医疗系统的潜在影响，特别强调即将可采用突破性个性化 T 细胞疗法。
人类个体的生命周期包括人体生理学和形态学发育（个体发生）和功能维护（成人）阶段以及个体在双向个体-人群背景下内心和思想的终生社会发生阶段，见图1A。
社会发生学本质上与既定人类大脑形态大小和结构有内在相关性，大脑包括大约860亿个神经元和数量大致相等的非神经元细胞，这些细胞相互连接和聚集程度高，可以处理、整合和协调从感官器官获取的信息，且其与身体其他部位相互连接。成熟人体的生理学遵循简单进化的选定构建计划，其中功能决定形式。早在2007年，我们就注意到以下事实：“[......]几乎所有器官和系统均由多个相同的、功能独立的结构单元构建[......]范围从几个细胞层到几毫米。由于各器官内这种结构单元具有不同的功能且高度自立和多样，其对药物和生物制剂的反应模式似乎可代表整个器官。大自然创造了这些微小且复杂的生物结构来实现器官和系统的最显著的功能。在特定器官内，这些结构具有多个重复是大自然的风险管理措施，可预防器官局部损伤时功能完全丧失。然而，从进化角度来看，类生命体概念使得能够根据特定种属的需求轻松调整器官的大小和形状（例如，小鼠和人肝脏），同时仍然使用几乎相同的总体规划[......]” 。2012年，这些知识再加上微生理系统（MPS）开发的进展，为在生物芯片上以生物学可接受的最小尺寸模拟人体的首个概念愿景提供了基础。当时，我们引入了“人体芯片”的概念，尺寸缩小因子为100,000。我们说明了主要人体器官的功能单位，并简要描述了缩小尺寸原理。这是提出建立生理上相当于人类个体的微型无意识、无情感的体外同等物（现称为类生命体）理论的起点。以前曾使用人体芯片、身体芯片或通用生理模板等不同术语来指代类生命体，但 MPS 社区普遍认为可以通过结合至少以下10个人体系统的主要器官同等物达到目标有机体稳态：循环、内分泌、胃肠道、免疫、表皮、肌肉骨骼、神经、生殖、呼吸和泌尿系统。
基于芯片的将这些器官模型相互连接的系统将构成最小的有机体同等物，MPS 社区预测至少还需要十年才能在芯片上建立此类功能性类生命体。
这些可用于模拟个体患者的疾病和健康状态，如图1B 所示， 因此，能够为每例患者精准选择正确药物或治疗和最有效的暴露方案。除了这一精准医学用途外，来自选定患者队列的类生命体还可以进一步用于对芯片进行临床试验。2018年，14家欧洲制药公司代表参与的毒理学研究领袖论坛（Investigative Toxicology Leaders Forum）展示了类生命体在当前细胞模型中模拟人体生理学的潜力（图2）。
图2 当前细胞模型条件下人类类生命体（即身体芯片同等物）的定位
类生命体理论基于两个按时间顺序相互关联的概念，每个概念包含三个实施原理。个体类生命体的体外个体发生概念基于以下原理：1、体外个体早熟类器官基于（诱导多能）干细胞形成；2、应用芯片 MPS，通过全血灌注和神经支配，将这种早熟类器官的相关类型和比例/数量基于生理学整合到早期自我维持的类生命体；3、通过类器官芯片串扰和加速暴露于个体发育刺激，完成向健康成熟类生命体（模拟成人阶段）的体外个体发生。
随后，使用类生命体芯片模拟相应个体患者的疾病和治愈过程的概念遵循以下原理：1、通过自然疾病过程或来自患者的病原体传播或患病组织在类生命体中诱导疾病；2、通过对单例患者等量的健康和患病类生命体进行试验模拟在大量患者中进行的人体临床试验；3、为每例患者精准选择正确药物或治疗以及最有效的暴露方案。
本文介绍了类生命体理论的概念和原理，用实际结果和观察结果证明了最重要的方面，描述了其颠覆医疗系统的潜力，并对最终证明这一理论的可能方法进行了展望。
一个多世纪以来，科学家一直关注生物化学和生物物理因素在体内组织特异性形态发生和器官发生中的作用。由于缺乏更多生理相关的试验系统，研究仅限于经典的细胞培养和动物模型。这些模型极大地增强了我们对细胞功能和疾病机制的基本了解。然而，如何将研究结果转化为人体应用已成为主要瓶颈。由于干细胞研究和三维（3D）培养系统领域的最新进展，开发出了一种称为类器官的有前景的复杂且完整的人体模型系统。这些类器官由多能干细胞（PSC）（诱导 PSC[iPSC]或胚胎干细胞）或成人干细胞（ASC）或成人肿瘤组织通过自组织产生。对其在药物发现和个性化医疗方面的应用进行了综述 ， 并且对生成个性化数据的概念进行了首次验证。
类器官组织可维持其保持增殖和分化成相应器官不同类型细胞的能力，同时通过仔细调整微环境因素（如模拟体内干细胞生态位）来保存干细胞库。与二维单层培养相比，三维类器官培养能更加准确地模拟表现为基因和蛋白表达以及代谢能力的器官的生理行为。大多数类器官需要基于层粘连蛋白和胶原蛋白的细胞外基质环境，与体内细胞周围的物理支架相当。在大多数情况下，该基质与动物有关，并且没有明确定义，因此可能会出现批间差异。此外，ASC 或 PSC 衍生的类器官的分化过程与许多不同因素有关，如生长因子、基质、基质硬度、细胞间接触、细胞密度、氧气水平、体外自组织的营养供应及随机性和细胞命运决定。因此，在标准体外培养条件下，类器官的成熟性和功能存在高度异质性。
PSC 衍生的类器官可在体外模拟胚胎发育。因此，这些类器官对发育研究具有重要价值。使用不同的生长因子将 PSC 推入适当的胚层（中胚层、内胚层或外胚层）。随后，使用额外的生长因子混合物驱动细胞形成分化的类器官。在本文中，基质蛋白在类器官形成中具有至关重要的作用，并且经常用于模拟基底层。分化的类器官可能由不同的细胞类型（上皮细胞和间充质细胞）组成，甚至可能通过内源性分化或外源性添加内皮细胞或中胚层祖细胞获得初始内皮网络。生成 PSC 衍生的类器官的时间因组织类型而异，通常需要2周到3个月，但皮肤或脑类器官可持续半年或更长时间。
通过将体细胞重新编程为 iPSC，可以生成患者特异性 PSC 衍生的类器官。然而，这可能需要数月时间。类器官分化的效率在不同组织类型甚至不同分化方案之间有很大的差异。此外，iPSC 衍生的类器官传代的可能性较低。
由于缺乏可用的组织样本，一些组织（如大脑）难以由 ASC 生成类器官。因此，PSC 衍生的类器官有利于生成脑类器官。这些类器官已在 3D 球体悬浮培养液中培养2年以上，无需传代。
ASC 衍生的类器官由具有再生能力的成人组织生成。例如，早期人类牙齿或毛囊发育模型在体外应用间充质凝聚原理，分别由供体来源的祖细胞生成基板或真皮乳头类器官。然而，仅组织的上皮部分可以形成类器官。这些模型中缺少基质细胞、内皮细胞和神经。ASC 衍生的类器官的主要优势在于其可以由健康或肿瘤组织生成。ASC 的类器官形成通常仅需要几天时间，并且类器官很稳定，可以长期培养和扩增。类器官可使用不同的生长因子混合物进行扩增和分化，因此可以无限扩增。患者的健康和肿瘤类器官的生物库可以由不同器官生成，用于通过高通量筛选测试药物，从而为患者治疗作出进一步的决策。
过去10年，学术实验室已经采用这些 3D 培养方法生成了大量的人类类器官。对其应用和潜力进行了广泛的综述。表1突出显示了通过静态体外培养生成类器官的人体器官。然而，传统的静态培养系统无法将类器官最终分化为成熟且功能完整的器官模型。局部形态梯度在类器官形成时出现，但缺乏稳定的血液灌注驱动的生长因子、氧气和其他功能性生化或生物物理因素的形态发生因子梯度。因此，鉴于不断生长的类器官的营养供应和废物清除受限，静态培养条件限制了培养时间，从而限制了其成熟级别。下文将讨论如何通过引入确定的时空因素来提高类器官的成熟度。
已经证明类器官是模拟不同的器官特异性特征集的强大工具。然而，如上所述，标记物表达和功能通常在早熟阶段停止。自1912年起已经发现体外培养环境决定了类器官的活力和功能。驱动类器官自组装和分化的各向同性微环境因素在传统培养条件下以相当均匀的方式包裹类器官或覆盖广泛的表面区域，妨碍了功能驱动的空间定位和成熟。但是，这些源自相互作用组织和导致细胞重排的时空因素在成熟器官功能发育中具有关键作用。特别对内皮-组织间的相互作用及其在器官发生过程中对局部信号传导的影响进行了广泛研究。例如，发育中的中枢神经系统的血管形成是脑发育的关键步骤，可确保快速分裂的神经祖细胞的氧气和营养供应。已经证明周围神经系统的神经结构发育与血管明显一致。此外，已经表明内皮细胞对维持小脑细胞的中枢神经系统生发区域具有重要作用。
此外，在静态培养物中给予重组蛋白和小分子以控制谱系规范，可主要促进器官内部分特定细胞（实质细胞）的发育。其他关键谱系（如血管、神经元或免疫谱系）大多缺失，因此导致旁分泌信号沉寂，这可能与进一步成熟过程有关。
早熟类器官与其他器官系统在生理相关尺寸下发生精细协调的系统相互作用后，促进了功能的一致性并提高了刺激的空间分辨率。天然的器官构建块（上述最小的功能单元）具有多样性，并形成了整个人体器官。这些重复亚单位的数量取决于相互作用器官发出的需求。因此，在组织的动态相互作用中，器官大小、介质流速和液体在器官中的停留时间以及总体液体与细胞比可自动调整。
到目前为止，已经设计了几种使组织模型能够发生系统相互作用的方法，最突出的是人源肿瘤异种移植（PDX）模型和 MPS。对于前者，使用免疫缺陷或人源化小鼠作为宿主，主要用于获得肿瘤移植模型。移植物与局部和系统环境的相互作用也通过模型的血管化实现，最终给细胞提供营养并增加模型数量。然而，宿主有机体和患者组织之间的种属差异妨碍了生物学完全匹配。已描述了使用这些方法时的大量缺点，但是可证明这些方法具有支持模型的体循环优势。
过去20年，已大量尝试通过引入 MPS 来改善器官模型培养条件。利用基于原代和细胞系的模型，已经在 MPS 中建立了几十种人体器官同等物，并进行了详细的综述。有充分的文献证明，可以通过准确模拟有关生化、物理或电刺激的器官型微环境获得成熟器官功能。
该概念明确表明这种系统的自体性质至关重要后，MPS 社区开始建立干细胞衍生的模型芯片。表2总结了该领域的最新成果。此外，建立最小类生命体创建所需的缺失的类器官只是时间问题。
表2 建立的重现人体主要器官功能的基于 MPS 的模型示例
已发布大量其他人体组织和器官模型。然而，有机体芯片稳态的尝试至今未能整合全身组分，如通过血管化微血管、个性化（自体）免疫系统和组织神经支配进行全血供应。本文通过将每个相关器官系统的早熟类器官整合到自我调节的血管化和神经支配的系统循环中，扩展了有关创建基于 MPS 的类生命体的理论。
我们在2012年已经提出以下假设，即“器官特异性细胞类型及其血管和基质组织床之间缺乏动态的相互作用以及成人干细胞和祖细胞生态位缺乏是目前的‘人体芯片’系统关键功能缺失的原因”。整个微流控回路芯片的血管化早在2013年就已经出现，然后开始了生成血管化器官模型芯片的研究工作。目前，生成血管化单组织模型芯片的高通量平台已经上市销售。这两种技术相结合可以产生一个包含多个器官芯片的闭合血管回路，从而实现更高层次的生理复杂性-灌注全血或含有所有相关组分的特定替代物。
类生命体理论假设可生成和更新所有关键全血组分（红细胞、血小板、白细胞和血浆组分），并将产生自我维持的系统性类生命体。因此，需要稳定的功能性芯片造血。已经描述了几种使用 MPS 对基于人类骨髓的造血干细胞生态位进行建模的方法。对 Sieber 等人的模型进行改造，纳入对细胞分化和干细胞维持重要的细胞因子，这使得红细胞、髓细胞和巨核细胞谱系的细胞能够持续、稳健地产生并维护，同时维持干细胞和祖细胞群至少24天（图3）。简而言之，根据 Sieber 等人所述建立了骨髓芯片，但变更了培养基，以纳入更多的细胞因子，这与 Chou 等人的概述一致。从循环培养基中对细胞进行取样，使用细胞离心机直接沉积到玻片上，然后进行瑞氏染色并成像。研究中使用的细胞的供体信息详见表3。
学术 MPS 开发规划提供了许多其他指示物，可以使用 MPS 重现血液灌注的特定要素。Westein 等人已经证明了具有模拟血小板诱导的凝血的能力，并且许多已发表文献描述了 MPS 中免疫细胞的循环及其在器官模型芯片中的沉降性。
至于将基于类生命体的生理全血供应给所有芯片器官同等物，使用自体来源的干细胞衍生类器官有助于预防免疫系统对外来器官模型的排斥。先前发布的多器官系统主要由来自不同供体的组织组成，这使得无法对作为任何人类有机体的主要防御机制的个体免疫系统进行无排斥整合。早在2013年就报道了首次对一个诱导多能干细胞（iPSC）供体中的几种细胞进行自体共培养。iPSC 衍生的类器官的早熟性引发了以下问题：如何最终区分这些类器官以匹配其相应的人体同等器官的功能。本文中的类生命体理论提出了终末芯片上分化原理，以整合的有机体相互作用和人为加速的关键器官和系统的“训练项目”为指导，如肝脏暴露于有害异物、免疫系统进行多抗原疫苗接种或人为暴露于类固醇激素来加速性器官成熟。第一个迹象表明，基于生理学的四器官芯片中进一步的芯片成熟由器官-器官相互作用触发，这在2019年得到证明，其中在 iPSC 衍生的早熟肝脏模型中，白蛋白和 MRP2 基因表达在14天内显著增加，完全是由于无分化因子与 iPSC 衍生的肠、肾和神经元模型共培养所致（图4）。
这些数据支持了类生命体理论的概念，即一旦肝脏功能符合系统类生命体的需求，通过肠道模型定期供应营养物质并通过肾脏模型清除废物就足以维持类生命体的功能稳态。
人体大部分血浆蛋白由肝脏产生，白蛋白的浓度约为40g/L，血浆是目前为止最大的组分。此外，肝脏是有毒物质和外源性物质经食物进入体循环的“看门人”。最后，肝脏在整个循环中保持蛋白质、碳水化合物和氨基酸代谢的稳态条件。大量 MPS 文献证明由原代或 iPSC 衍生的肝细胞组成的人体肝脏同等物芯片能够持续分泌白蛋白和其他蛋白进入循环。另一种重要的蛋白质组分是白细胞产生的免疫球蛋白 G 组分，在人体血浆蛋白组分中达到7-16g/L 的生理水平。极少 MPS 期望通过免疫组织建模生成免疫球蛋白，但人工淋巴结在此方面已经取得了初步进展。其他一些器官向血浆中添加关键的调节蛋白。胰岛素就是这种关键调节蛋白，其由胰岛分泌并与肝脏相互作用，通过调节葡萄糖消耗、储存和释放来控制身体以葡萄糖为基础的能量平衡。2017年建立了稳定的胰岛-肝脏共培养 MPS，证明 MPS 具有生理管理胰岛素分泌和器官相互作用的能力。关于血浆特性，仍然难以将芯片上产生的血浆蛋白浓度提高到60-80g/L 的生理水平，该水平对于利用白蛋白的生理转运特性、将数百种其他功能性蛋白递送到其相应作用位点以及为有机体内血细胞转运提供合适的粘度和流动动力学具有重要意义。通过内皮细胞将器官模型与血流完全分离是实现这一目标的基本前提，并将在不久的将来在该领域取得进展。
通过在线传感器密切监测芯片上的代谢活动，可以采用技术手段对血浆组成进行初步调整，从长远来看，这可能导致器官模型进一步成熟。本文认为使用自动化系统持续密切观察芯片上培养物将成为一个必不可少的组成部分。
传感器通常可以在类生命体理论的实施中发挥关键作用，将个体的数据生成扩展到目前任何可用范围以外。一方面，传感器可以是系统固有的组成部分。与脉搏血氧测量相似，例如，类生命体血液中氧饱和度可以通过不同血红蛋白衍生物的不同光学光谱来测量。此外，脉搏血氧仪还可提供有关血液搏动特性的定性信息。氧饱和度的测量可以使用小型传感器进行，也可以使用高光谱成像技术进行空间解析。通过氧饱和度测量获得关于氧运输能力、氧分布的重要信息，并且结合微粒成像测速分析，还可获得一个类生命体中整合的每个类器官的绝对耗氧率。
另一方面，传感器可以直接嵌入 MPS。与体域网技术并行进行人体健康监测，多个传感器集成对于可持续在线监测器官特异性反应和动态组织反应至关重要。多传感器集成平台对于基于 MPS 的类生命体的开发尤为重要，其中监测各种器官的功能需要结合不同的传感原理。跨上皮电阻测量是最常用的非侵入性技术之一，已经成功地整合到 MPS 中，以评估内皮或上皮模型的屏障完整性和连接动力学。基于电阻抗谱的方法优于利用扩展频域数据的传统跨上皮电阻测量技术，因此，可以评价不同成熟阶段的组织屏障功能。基于阻抗的技术在与多电极阵列结合使用后进一步增强，可在类生命体的相关微环境中提供局部传感和电刺激。应用包括通过直接电刺激收缩活动重现心肌细胞或运动神经元神经支配，以及可能通过神经元活动产生替代脑电图，这代表了帕金森或阿尔茨海默病模型的附加值。
器官模型的神经支配在其发育、成熟、调节控制、再生和病理学中具有关键作用。通过器官移植手术得知，自主神经元连接的消融可能导致较差的移植物功能和有害的健康影响。同样，在大多数器官和组织中，神经支配对于干细胞和/或其生态位调节的重要性已得到充分证明。自主神经在初始器官发生和再生过程中影响组织生长，并且同样影响衰老或疾病的发展和进展。由于实现适当引导和将神经元整合到非神经组织模型中的复杂性，目前大部分体外模型未引入神经支配。过去10年，已经通过静态和 MPS 类器官培养进行第一步，模拟了神经模型之间的突触连接以及神经和非神经组织模型之间的神经效应器连接。该领域的一个主要挑战是轴突生长从神经元到效应组织的定向引导。因此，根据已发表文献所示，开发能够组装和培养干细胞衍生的有髓运动神经元的 MPS 是实现 MPS 功能神经支配的重要基础。了解组织衍生的神经营养因子和神经引导因子如何驱动轴突生长并确定其发育过程中的方向将有重要作用。
已经证明干细胞衍生的区域化脑类器官具有相互形成突触神经支配的内在能力。多个研究小组已经描述了区域化干细胞衍生的皮层和大脑皮层下类器官的融合，以模拟 GABA 能中间神经元从大脑皮层下类器官迁移到谷氨酸能兴奋性、富含神经元的皮质类器官中，然后在此处将其在功能上整合到局部兴奋回路中。这一内在能力也可用于组装其他区域化的脑类器官，如干细胞衍生的皮质和丘脑类器官所示。
Roger D. Kamm 的研究小组表明，干细胞衍生的运动神经元类器官可以在成形的芯片平台中构建具有 3D 骨骼肌束的功能性神经肌肉接头（NMJ），从而增强组织结构的引导神经支配。该装置中的运动神经元通过光敏通道 rhodopsin-2 转导，这使得光激活的肌肉收缩能够显示功能性 NMJ 形成。另一项关于干细胞衍生的类脑器官的研究表明，它们可以发育出明显的轴突束，这些轴突束在功能上受神经支配进入啮齿动物的脊髓外植体，然后在外植体引起肌肉协调收缩，易于与局部自发收缩区分，并且可以经电刺激诱发。表明了神经支配对心脏组织成熟和功能的积极影响，其中交感神经支配增加了原代心肌细胞的自发搏动率。
已制定方案，忽略轴突生长对相应非神经组织类器官的复杂指南；这使得神经组织和非神经组织可以在一个类器官中同时分化。含有功能性 NMJ 和有髓鞘轴突的神经肌肉类器官在存在终末施万细胞和肌肉部分的收缩活动（在乙酰胆碱受体阻断后停止）的条件下已经达到该目标。前脑和视泡组合也获得了这种器官间球体，其中双侧光敏视泡在前脑类器官的表面上发育并形成电活性的原始感觉回路。
体外组织神经支配领域的下一个重要步骤将是建立一个封闭的包括通过皮层模型相互连接的感觉（例如，视杯类器官）和效应器（例如，肌纤维）神经元回路模型，并通过施万细胞或少突胶质细胞实现运动神经轴突的髓鞘形成。另一种有前景的方法是将芯片上血管化和神经支配相结合，使体内周围神经沿着血管生长。我们假设闭合血管系统建立后，此类神经支配途径也将在芯片上发挥作用。说明了血管化和神经支配相互连接的优势，也证明了血管-神经相互作用可产生与体内更相似的基因表达特征，并增加含有干细胞衍生的大脑微血管内皮细胞和运动神经元的 MPS 中钙瞬变。
除了（运动）神经元对生理组织神经支配的积极影响外，周围神经系统建模对于神经退行性疾病（如肌萎缩侧索硬化）领域也具有重大意义。体外（MPS）模型有可能成为研究化合物对 NMJ 药理学作用的重要基础。最近的已发表文献中通过使用承载40个含 iPSC 衍生运动神经元的微芯片 Mimetas OrganoPlate 平台，朝此方向迈出了第一步。第二种方法表现出明显的轴突生长，可以与肌肉组织结合形成 NMJ。
关于有机体稳态的另一个关键方面是自主神经支配与免疫系统的相互作用。以消化道为例，肠道免疫系统影响局部肠神经系统、交感神经和副交感神经系统的外部神经元，并最终影响大脑功能，如情绪、认知和心理健康。反之，大脑能够通过肠道胆碱能抗炎途径通过迷走神经调节肠道中的免疫功能。已充分研究初级淋巴器官（如骨髓）和次级淋巴器官（如脾脏）的神经支配，还证明了神经系统在这些生态位中影响免疫稳态和炎症的能力。
在芯片上模拟系统有机体途径的另一个重要方面包括整合相关的供体特异性微生物群，以总体模拟患者与相应代谢物的相互作用。
神经支配、血管化、淋巴管、微生物群和模拟胆汁产物的人体样肠肝循环似乎是缩小多器官 MPS 中类器官的简单物理组合和类生命体中真正的组织相互作用和稳态之间差距不可或缺的先决条件。
第二种方法需要至少10个人体系统（见概述部分强调的系统）的主要器官同等物的生物学组合及其通过脉管系统、神经支配和淋巴管的生物学相互连接。在两项早期已发表文献中，曾试图建立包含至少10个技术上可相互连接的器官培养室的 MPS。这些主要示例包括康奈尔大学 Shuler 实验室的13个器官培养室系统和麻省理工学院 Griffith 实验室的10个器官培养室 PhysioMimixTM 系统。两个系统都已在培养室中使用生物材料成功运行了7天或更长时间。然而，两者均缺乏生物血管相互连接、淋巴管和器官神经支配。
根据类生命体理论，类生命体是人类活体的尺寸尽可能缩小的体外生物复制品。通过将人体主要器官的功能单元系统性地生理整合到一个可反映人体系统组织的自我维持的有机体模板中，创建类生命体。芯片上干细胞衍生的器官同等物的快速分化是由于其相互作用和生理学相互依赖所致。极度缩小尺寸是出于生成大量重复的个体类生命体的目标。大量的这种生理上相当于成熟人类个体的相同、微型、无意识和无情绪的体外同等物可以在很长一段时间内保持自我维持的功能性健康稳态。它们易受干扰，导致自然或人为诱导疾病。假设患病的类生命体可以精确地模拟相应患者疾病的病理生理学。这反过来可能使得能够通过预测性患者特异性类生命体研究来确定相关患者的最有效的个性化治疗。与在患者队列中进行的临床研究相似，然后可以生成经过统计学验证的预测，其优势是可以在生理和病理生理条件下对患者类生命体的基因相同的重复进行比较。由此得出两个主要的使用情形。一个与真实世界中个体患者个性化治疗的前沿优化有关；另一个是有可能在临床试验水平上改变药物开发模式，节省大量的时间和资本支出。
关于第一个情形，类生命体可在患者疾病进展过程中用于预测性地选择、计划和进行个体患者的个性化治疗或准确用药。这可以在早期发现无效的治疗方案，进而显著降低对每例患者的潜在风险。图5更详细地总结了将类生命体应用于个性化精准医学的优势。该图说明了类生命体方法的概念和原理，可选择适用于个性化疾病的最合适的精准药物。假设示例选择癌症疾病。
图5 一例说明如何利用类生命体理论进行个性化医疗的假设示例
生命周期最终可能包括危及生命的疾病期，例如癌症生长（顶部：蓝边箭头）。通过健康细胞建立多能干细胞库。随后，在几个月内生成了大量相同的健康类生命体（黄色三角形）。目前癌症治疗有多种选择，因此，设置相关的试验组，包括安慰剂治疗、其他治疗组和健康恢复对照组（黑边箭头中）。在该假设示例中，在几周内发现 CAR-T 细胞疗法结合检查点抑制剂是最快和最有效的治疗方案。因此，立即成功采用该治疗方案。
根据类生命体理论，个体干细胞库可以在健康时创建，也可以在疾病发生时由健康器官创建。已开始使用预防性干细胞库（例如，从脐带血提取），随着时间推移，预防性干细胞库将成为未来的主要选择。由于该理论中的元素接近人类，因此可提供精准的试验结果，而患者来源的异种移植模型动物实验或人类患者来源的类器官无法获得同样的结果。异种移植模型与人之间的系统发育差距较大，因此无法获得充分的肿瘤生长。此外，还缺乏患者对抗肿瘤的免疫背景。患者来源的类器官也没有嵌入患者的免疫系统，并且缺乏与有机体的全身相互作用。
对于第二个情形，数十年来，候选药物进入临床试验成为获批药物的平均成功率一直低于20%；任何其他行业都无法承受这种原型到上市产品的低效转化率。低效主要是由于使用实验动物进行的候选药物临床前安全性和有效性评价项目的预测能力差。后果是临床试验持续时间平均13.5年以及一种新药获批的累计成本高达25亿美元。同时，过去30年出现了一次基于生物制剂的治疗策略革命，即开始使用人体自身的工具来对抗疾病。近年来，从合成的低分子量药物到人类单克隆抗体蛋白等，最后再到患者特异性自体细胞疗法，药物的生物复杂性不断扩大，因此患者的治愈机会明显提高。然而，这种先进治疗药品越来越多地从人体获得，该趋势同样显著减少了通过临床前实验室动物试验来预测这种治疗的安全性和有效性的机会。此外，过去几年，随药物的生物梯度上升，价格已成为所有患者在社会上公平获得这种治疗的主要障碍。该趋势开始时，生物药物的平均日剂量费用是小分子药物的22倍，约为几十美元。然而，2017年，对于一个患者疗程，同类最佳蛋白质生物制剂单克隆抗体的年平均价格约为96,000美元，相当于每天约263美元。如今，例如，在德国，一例患者使用先进细胞疗法（即高效的自体 CAR-T 细胞疗法）中最具突破性创新药物治疗的支出已升至320,000欧元（考虑到按“结果”支付）。该药物为单日输注。对于全球范围的医疗系统，效果非凡的药物的疗效与患者获取药物的经济能力之间日益增长的失衡已经成为一个严重的社会和经济冲突。
通过改变药物开发的模式，类生命体有可能终止这种成本不断上升的趋势。2016年发布的 MPS 社区利益相关者报告预计，如果基于 MPS 的类生命体临床试验样类生命体研究能够使任何新药或治疗在用于人类和替代动物试验以及1期和2期临床试验之前能够准确预测有效性、安全性、剂量和时间表，药物开发累计成本将为现在成本的1/5，药物开发时间将减少一半。2018年毒理学研究领袖论坛（Investigative Toxicology Leaders Forum）绘制了一份高级路线图，以确认与临床试验头对头的芯片上研究中使用微小的个性化“身体”同等物（类生命体）进行的“临床试验”（图6）预测的精准度。
图6 芯片上潜在“临床试验”的背景下类生命体（“身体”同等物）
为了达到该目标，通过一组代表患者的疾病状态及其健康稳态的健康和患病的类生命体，能够在模拟使用大型试验特定的患者队列的临床试验的情况下，对药物和先进治疗进行一系列的基于类生命体的临床前试验。与使用患者队列的试验不同，基于类生命体的试验具有许多关键优势。图7通过呈现利用一项基于类生命体的试验模拟一个假设的用于治疗2型糖尿病的新型钠葡萄糖转运蛋白2（SGLT2）抑制剂的临床试验的假设示例，详细介绍了这些优势。
图7 一例说明如何利用类生命体理论模拟临床试验的假设示例
根据与临床试验招募相同的标准，从全球干细胞库收集代表相关糖尿病患者队列的4个供体的干细胞样本。所有这4个供体小瓶均可产生相关数量的健康类生命体。蓝色、棕色、黄色和绿色表示每个个体供体背景。随后，根据类生命体理论的原理，例如通过高葡萄糖饮食生成糖尿病类生命体。为了评价一种新型 SGLT2 抑制剂治疗，进行了一项3个月的试验，包括6个组，每组12个类生命体（每组每个供体3个生物学重复），每天以类似口服的方式给予相应药物。对照组包括健康恢复组（1）和患病未经治疗的安慰剂组（2），分别提供治愈（绿色基线）和疾病状态无变化（红色基线）的结果输出值。此外，3个剂量的新型 SGLT2 抑制剂的给药剂量为患者预期剂量的1/100000，这是因为类生命体尺寸相对于人体进行了相应缩小。第（3）、（4）和（5）组的结果输出值说明了新型单药治疗在相当于每例患者每天25mg（黄色方块）、15mg（黄色三角形）和5mg（黄色圆圈）的剂量下有可能将疾病状态从基线转变为治愈。一个假设用二甲双胍治疗的标准单药治疗组（蓝色圆圈）提供了当前标准治疗参考数据。在该假设示例中，第（2）组生成了最有利的治疗结果。
最突出的优势是，基于类生命体的芯片上试验在药物开发史上将首次包括患者身体和同一个体健康身体状态的统计相关的人类自体生物重复。由于缺乏个体患者的任何生物学重复以及对其健康稳态下个体生物学状态缺乏了解，临床试验通常需要大量患者。因此，试验分为1、2、3期，遗憾的是，这些试验只能近似模拟个体患者的病理生物学及其完全治愈的恢复状态。对于药物和先进治疗开发，由于这两个方面，传统临床试验漫长、昂贵且低效。使用健康和患病类生命体进行的芯片上“临床试验”消除了这两个障碍。一方面，由于每项试验“受试者”在个体类生命体水平下的遗传同一性但有完全的人类背景，因此其可以进行近交实验动物试验的均匀性匹配。另一方面，使用各种不同个体的类生命体反映了临床试验中患者队列的异质性，但具有每个个体患者的类生命体的统计学相关的生物学重复的优势。
类生命体方法的另一个明显优势是，进行此类试验时无需招募患者和使用医院。鉴于存在反映遗传易感性、性别和试验相关的其他类别的大型 PSC 库，基于类生命体的试验可以随时随地进行。关于上述假设示例，根据糖尿病易感性选择供体、比较遗传血统和平等的性别分布可能是有吸引力的干细胞瓶选择策略。
值得一提的第三个优势是试验规模的灵活性。理论上，可以生成任意数量的患病类生命体（通常称为“患者”芯片）。这样可以在同一个基于类生命体的试验中整合新化学或生物实体的药代动力学方面、有效剂量结果以及安全性和有效性联合评价。目前在实验动物、健康受试者和患者的独立临床前和临床试验中生成的数据（如毒性特征、无可见不良作用剂量水平、吸收率和排泄率、代谢物形成、有效剂量结果、新药持续时间和给药时间表）可以由一项基于类生命体的试验产生。例如，我们治疗2型糖尿病的假设病例研究可以很容易扩展到更大的剂量范围，比较每天以类似口服的方式单次（这在类生命体中指顶端肠道的任何给药）给药与每天两次给药。这将包括有效性的剂量依赖性评价，同时观察尿路或生殖道感染（SGLT2抑制剂的已知副作用）的发生率和严重程度。相应的患者队列使用的候选药物的治疗窗的定义来源于这种多合一试验，仍处于临床前候选药物开发阶段。
对于这两个使用情形，我们认为类生命体将对通过个体数据库收集医学真实世界大数据起到极大促进作用。这是由于能够在每例患者第一次疾病发生的确定位置（例如，肿瘤生长、病毒复制）生成关于微环境破坏的独特的可重现数据。类生命体和计算机模拟方法相结合将进一步提高对较大患者队列精准用药的预测能力，并进一步降低成本。
一般认为复杂的体外细胞培养工作的成本通常很高。由于目前可用的 MPS 在一次性芯片和操作方面价格昂贵，可能据此推测在试验中生成和处理数千个类生命体需要天价预算。对此，类生命体（反映了自我维持的人体）的性质和尺度效应的经济性可发挥作用。在真实世界中，人体在静态状态下保持有机体功能需要每天摄入约2000 kcal 的蛋白质、碳水化合物和脂肪。在世界上一些较贫穷的地区，人均不足10美元即可实现此目标。因此，以同样的成本，每天可以培养100,000个类生命体。承载类生命体的消耗性芯片的价格预计也将下降到1美元以内，计算机芯片和人类基因组测序成本也曾经历过该下降过程。
类生命体能够为每例个体患者确定最合适的药物，并从根本上降低成本和转变药物开发方式，认为其对社会经济层面有巨大影响。伦理层面也是如此。基于人类 MPS 的类生命体有可能取代大多数实验动物试验以及人类受试者的1期和2期临床试验。其也将多方面减少3期临床试验患者的数量。所有这些都将在全球范围内对患者获益和动物福利产生根本性的积极影响。
最近已证明先进的细胞疗法（如自体嵌合抗原受体（CAR）T 细胞疗法KymriahTM 和 YescartaTM）有可能治愈以前的耐药肿瘤患者。除了这两种 CAR-T 细胞产品在2017年获批用于治疗血液肿瘤外，其他几种 CAR-T 细胞产品最近也获得了批准。正在研发许多新型细胞疗法，包括使用 CAR 或转基因 T 细胞受体来对抗多种肿瘤、感染和自身侵略性免疫细胞，或者使用调节性 T 细胞来恢复主要的不良免疫反应中的免疫平衡。截至2020年底，全球注册的免疫细胞产品临床试验超过1000项。
在这些医疗需求未得到满足的领域，由于这些试验具有前所未有的有效性，监管机构在舍弃标准安全性试验流程的情况下批准了这些试验，但需在治疗获批后在治疗患者的随访研究中回顾性生成这些试验流程。上述情况与以下事实一致：由于患者的系统发育差距、相应的基因型差异和免疫不匹配，患者对个性化细胞治疗的反应无法在临床前实验动物模型中模拟。同样，传统的患者来源的类器官培养物由于没有整合到系统的有机体结构中而无法预测患者的反应。尤其是，模拟通过静脉输注将T细胞输注到目标部位以及T细胞与其他主要器官部位的相互作用是缺失的用于精确模拟T细胞疗法及其在患者来源的类器官中有效性特征的关键因素。如前所述，本文的类生命体理论提供了一个替代解决方案，克服了所有剩余的障碍。
根据类生命体理论，类生命体无法也不得模拟同理心或意识（分别是内心或思想），这是人类个体的社会发生的主要部分。因此，其无法模拟患者的精神疾病。300g 人类心肌或髋部骨折的功能障碍及其愈合依赖于生物物理特性，但由于涉及的尺寸和物理特性不匹配，其中一些无法通过类生命体呈现。
伦理考虑对人类社会至关重要，是人性的基础。类生命体理论由于其性质，引入了一些必须从伦理上考虑的观点。将人类胚胎发育到几厘米大小是最关键的问题之一。世界上许多地方禁止在人工环境（例如，体外培养）中对人类卵子进行受精及其随后的胚胎发育。类生命体理论的作者想要强调的是，其伦理范式不在该范围内。不得使用类生命体理论的概念和原理创建人类或杂交胚胎，并进一步由此发育和分化为人类或杂交组织。应采用其他方法来避免这一部分的个体发生。个体同意捐献组织来创建类生命体可能有助于预防在早期阶段提到的领域中滥用。
本文提出的类生命体理论能够在体外人为重现个体身体的个体发生，从供体的干细胞开始，生成一定数量的相同的健康成熟的小型身体同等物，因此称为类生命体。该理论进一步表明，这些供体特异性的相同类生命体反映了相应个体的健康成年期的某个阶段，并可用于模拟供体在其生命周期中某个时间的疾病和恢复阶段。通过以个性化的患病类生命体方法对个体疾病进行建模将获得一个尚未达到的实际的患者病理生物学水平，因此，将为精准选择正确药物、治疗方案和剂量以治愈（患病）个体提供一个前所未有的工具。
人体器官最小功能单元的遗传和微环境编码的自我组织和维护及其整合到血液灌注和神经支配器官的相互作用和有效交互系统的自然原理，是创建芯片上类生命体的基础。我们认为其将成为下一阶段的人类生物学模拟，从而提供最相似的人体对应物。类生命体将在体外有机地遵循人类生物学的类器官水平，近年来，已经证明类器官能够以小型化的规模模拟单个组织和器官的不同功能。利用已经从类器官获取的知识，人类类生命体将通过一个小型化的基于生理学的血管和毛细血管网络将芯片上生成的全身神经支配和全血供应添加到每个器官同等物的功能单元中。通过内皮细胞层将每个器官同等物的器官型微环境与共同血液局部分离后，芯片上不同人体器官的功能单元的精确拷贝能够进行独立的器官特异性、基因编码和微环境驱动的自组装。这反过来又能使成熟器官同等物发生生理学相互作用，使芯片上有机体达到稳态。类生命体建立后，仅需每天提供消化食物的同等物，即可在芯片上模拟长期、所述的自我维持的身体功能。
前文已经说明，人类类器官体外培养技术和过去10年生产的人类单器官芯片有力证明了单器官同等物人为的体外个体发生的概念。此外，人类 iPSC 衍生的多器官芯片首次提供了芯片上加速的人工器官个体发生的迹象。最后，越来越多的人类疾病建模的科学文献和人体组织芯片的治疗试验表明，当类生命体通过 MPS 可以完全发挥功能时，这种微生理平台能够精准模拟疾病的病理生物学和药物或治疗的作用模式。进一步开发器官芯片系统的主要困难是神经支配和实现类器官毛细血管化，这也有助于细胞迁移，尤其是免疫细胞迁移到组织中。
我们纳入了构成类生命体理论的两个概念，并详细介绍了如何生成和使用类生命体进行个性化精准医学的原理。
挑战类生命体理论的主要社会经济驱动因素是先进治疗和药物开发中迫切需要的范式转变，以在真实世界的医疗环境中明显更快地应用负担得起的先进治疗和精准药物，以治愈医疗需求未得到满足的患者。主要的伦理驱动因素是在药物开发周期中替代大多数的实验动物试验和在健康受试者中进行的1期临床试验，以及在全球医疗层面上从治疗症状转向治疗慢性疾病的范式。因此，本文提出，通过其首次概念验证研究来预测先进的自体T细胞疗法的治疗结局、剂量和时间表，加快建立人类类生命体。
MPS 社区设想在十年内进行类生命体的首次理论验证，以达到所描述的医疗系统的根本改进。然而，要实现这一目标，首先需要达到一些重大里程碑，如器官同等物通过生物脉管系统和淋巴管相互连接、器官神经支配、微生物群整合、肠-肝循环以及最终的人类相关的造血功能。在医疗领域之外，人类类生命体一旦建立，将为更高层次的人类生命科学的基础发现提供一个独特的工具。鉴于小尺寸上的稳定长期功能以及个体类生命体的性别、年龄和遗传背景的任意可变性，我们将能够深入了解以前未曾发现的人类生物学。我们预见到在个体或亚群水平上使用类生命体来预测优化的饮食，包括改造微生物群。类生命体可以有效地指导开发优化的功能性合成食品，以养活2100年后的全球人口。还可作为敏感的个性化生物传感器，用于检测空气和饮用水中的环境污染，并识别其供体的潜在过敏症风险。最后，其有可能成为个性化预测措施的主要工具，以确保相应供体的寿命。
Uwe Marx,Enrico Accastelli,Rhiannon David,
Hendrik Erfurth,Leopold Koenig,Roland Lauster,
Anja Patricia Ramme,Hans-Dieter Volk,
Petra Reinke,Annika Winter,Eva-Maria Dehne
文章来源：Frontiers in Medicine
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