由新型冠狀病毒SARS-CoV-2引發的疫情自2019年底爆發以來在全球快速傳播，截至2022年9月，全世界感染人數已超過6億人，死亡人數超過600萬（WHO COVID-19 Dashboard）。新型冠狀病毒疫情（COVID-19）引起了人們對公共衛生的高度關注，也在生物醫藥領域掀起了對疫苗、抗體及小分子化合物藥物研發的熱潮。SARS-CoV-2通常會先黏附于呼吸道表面粘膜的硫酸乙酰肝素，進而與hACE2結合，之后入侵機體觸發炎癥因子風暴，并在肺部導致彌漫性肺泡損傷和纖維化，最終引起肺水腫和呼吸衰竭[1]，如圖1所示。

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圖1 SARS-CoV-2的感染及肺部病變[1]

在新藥研發的過程中，動物模型是目前評價藥物在體內安全性和有效性的最常規手段，但動物模型與人體實際狀態差異性較大。以小鼠模型為例，其ACE2基因與人類的ACE2（hACE2）同源性較低，不能與SARS-CoV-2的S蛋白結合。通過CRISPR-Cas9技術敲入hACE2的轉基因小鼠在SARS-CoV-2感染過程中往往呈現出重度感染癥狀，且hACE2在小鼠體內的過表達還使得SARS-CoV-2感染部位與人類的被感染器官不同[2]，如通過滴鼻對轉hACE2的小鼠進行攻毒，甚至在腦部也出現了SARS-CoV-2感染。其他的動物模型如倉鼠本身具有一定的ACE2表達，通常用作輕度感染模型，而與人類基因組非常接近的靈長類動物盡管是公認的最適合做藥物評價的動物模型，但自2020年以來價格飛速上漲，目前恒河猴的價格已經超過10萬元/只。緊隨新型冠狀病毒而來的是猴痘病毒（MPXV），因此在生物醫藥領域亟需一種可進行高通量篩選并能夠真實反應人體組織狀態的新型藥物評價模型。

人源細胞特別是表達了特定靶點蛋白的人源細胞株通常被用于高通量的藥物篩選，但這種2D純培養模型很難反應藥物的生物利用度、轉運及代謝。原代細胞培養、干細胞分化、器官芯片以及3D培養等技術的發展使得新型藥物篩選模型的開發在過去幾年飛速發展。在肺臟體外模型（in vitro?model）領域，精細切割肺切片（precision-cut lung slices, PCLS）、肺臟類器官、3D組織及肺芯片（lung-on-chip, LOC）等在藥物篩選中已有成功實施案例。這些體外模型與動物模型在組成和功能上的比較如圖2所示[3]。對于SARS-CoV-2的相關研究，類器官在可感染性、細胞異質性、3D微環境、通量及穩定性方面有著獨特的優勢。

圖2?新型冠狀病毒研究中體內及體外3D模型的比較[3]

類器官（organoid）是通過多能干細胞及特定組織干細胞誘導分化產生的含有組織多種細胞的3D細胞培養物，可在體外模擬特定器官的結構和功能，具有發展成高通量藥物篩選模型的潛力。類器官的培養過程如圖3所示[4]：從人體或動物組織中分離得到的成體干細胞（ASCs）以及誘導多能干細胞（iPSCs）經過液體深層培養、氣液界面培養或生物反應器培養可以得到類器官，基質膠（Martrix gel）的加入有助于不同形態及結構類器官的形成，在此基礎上還可以在類器官中形成血管。類器官技術的快速發展為新藥篩選中類器官模型的建立提供了很好的技術支撐。

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圖3?類器官的培養過程及相關技術[4]

為了更好的反映SARS-CoV-2的感染過程及肺部組織的變化，進而對藥物進行篩選和評價，很多實驗室對現有的肺臟多細胞培養模型（multicellular model）進行了優化。Krüger等從多能干細胞分化得到小腸類器官，對瑞德西韋（Remdesivir） 和活性肽EK1抗SARS-CoV-2感染的活性進行了評價[5]。Monteil分別使用誘導性多能干細胞（iPSC）和人類胚胎干細胞構建了微血管類器官和腎類器官[6]，如圖4所示：

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圖4?研究SARS-CoV-2感染的類器官模型[5,6]

A.?瑞德西韋對SARS-CoV-2感染小腸類器官的抑制作用（藍色：DAPI；紅色：S蛋白；綠色：Ecad）[5]；

B.?微血管類器官（綠色：CD31；紫色：PDGFRβ）[6]；

C.?腎類器官（綠色：LTL；紅色：laminin；青綠色：nephrin；藍色：DAPI）[6]。

肺臟類器官在SARS-CoV-2的研究中扮演者非常重要的角色，多家實驗室已經構建了肺臟類器官并對構建過程、評價方法及SARS-CoV-2感染后的細胞分化進行了探索[7-9]，但目前在類器官中尚未實現肺泡的伸縮及呼吸功能。Zang等在小腸類器官中分別敲除TMPRSS2和TMPRSS4，結果顯示后者可能在SARS-CoV-2的感染過程中發揮了更大的作用[10]。此外，通過CRISPR技術將熒光蛋白報告基因轉入類器官構建的類器官文庫可以廣泛用于藥物的篩選[11]。 類器官所具有的細胞自組裝、多細胞免疫應答及通訊、基因編輯可操作性等特點使得其在在未來會成為新藥研發領域強有力的工具[12]。

?圖5?類器官在抗病毒研究中的應用[12]

展望：

除抗病毒藥物篩選外，我們還注意到類器官已經廣泛應用于抗腫瘤藥物的篩選。Michels等使用CRISPR-Cas9技術對APC-/-,KRASG12D?突變腸類器官進行編輯從而對腫瘤抑制基因進行了篩選[13]，Ringel等則在野生型及APC突變的類器官中對TGF-β抗性的激動劑進行了篩選[14]。類器官有望成為新藥研發領域的新一代模型。

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