今(11)日，由國家生技研究園區、生醫轉譯研究中心主辦，美商分子儀器(Molecular Devices)、環球生技協辦的「下一代『類器官/器官晶片』技轉落地戰」論壇中，由清大特聘教授曾繁根、中研院研究員董奕鍾、分子儀器資深應用研究員崔瑞廷，以及昱星生技執行長張郁芬，分享了展現不論在細胞的基礎科學研究、篩藥平台等都大有潛力的類器官/器官晶片應用外，也讓參與者認識在整合AI分析、自動化等技術助攻下，類器官的開發門檻已越趨降低。
 

曾繁根：打造開創型3D器官晶片 輔助臨床試驗、用藥指引

 
清大曾繁根特聘教授 (攝影/巫芝岳)

首位講者為國內微型化奈米系統研究領銜教授的清大曾繁根特聘教授，他表示，自己在晶片開發上已有20多年經驗，最早他是從蛋白質晶片做起，接著投入循環腫瘤細胞(CTC)領域。
 
他表示，CTC是血液循環中非常稀有的細胞，收集不易，因此他們也針對此痛點，開發出細胞自組裝陣列晶片(SACA)，透過SACA晶片CTC的回收率可超過95%，比市售產品回收率更高，不過他也期望SACA晶片不只用於檢測，更希望將收集到的細胞放大，作為藥物預測的平台。
 
因此他也將SACA晶片延伸應用在3D器官晶片開發，他與團隊開發的通用型器官晶片，具有特殊設計的塗層，細胞在2~3天就會集結成團，第5天會形成腫瘤缺氧核，培養的腫瘤團塊體積大小可達百微米(Micron)。
 
此外，以樂高積木概念設計的晶片，還可串接培養不同類型細胞，現在已成功培養多個癌種，目前團隊也在開發免疫細胞類器官，期望讓腫瘤器官晶片更接近人體真實情況。
 
他表示，細胞藥物研究不只有了解細胞的存活，也想知道細胞活得好不好，因此他與團隊也特別設計多個感測器，以監測包括：剪應力(shear stress)、pH、氧氣、細胞因子(cytokines)等。
 
最後他也表示，「過去大家都認為晶片像玩具，但這幾年器官晶片也逐步在實踐中，他也期望臺灣的強項半導體可一起投入，來加速整個產業與技術的發展」。
 

董奕鍾：創新細胞氣體、應力微環境 助血管、腫瘤機轉研究

 
 中研院應用科學中心研究員董奕鍾 (攝影/巫芝岳)

中研院應用科學中心研究員董奕鍾，介紹了其實驗室近年開發的多項組織晶片(tissue-on-a-chip)或器官晶片(organ-on-a-chip)的技術，包括氣體微環境和物理應力微環境等，可協助許多在一般細胞培養實驗和活體實驗中，難以觀察到的生物機轉研究。
 
董奕鍾表示，目前一般的細胞研究工具中，都由難以真的在培養空間中妥善控制氣體濃度的梯度，因此，他們運用聚二甲基矽氧烷(PDMS)材質的微流道，結合化學反應消耗氧氣的機制，開發出具有氧氣梯度的氣體微環境，並用於研究血管新生的過程。
 
他們發現，血管細胞會明顯傾向往氧氣濃度低處生長，而這項研究是在活體細胞中難以被研究證實的。
 
董奕鍾團隊實驗室也開發了一項具有「物理應力」的微環境，觀察肺部細胞、血管內皮細胞等，在不同方向的應力作用下產生的反應；另透過放於細胞培養晶片下的感測器，還能結合及時觀察與監測的能力。
 
此外，其團隊運用三維的微流體系統，產出球狀的細胞團塊(spheroid)，其技術可以一次製造約5千顆大小均一的團塊，除了可用於藥物篩檢外，他們也成功以該技術還原腫瘤細胞透過循環系統，轉移到其他部位的過程。
 

崔瑞廷：AI決策3D細胞培養技術 助攻類器官培養、觀察分析自動化

 
分子儀器資深應用研究員崔瑞廷 (攝影/巫芝岳)

香港分子儀器崔瑞廷應用專家，則介紹分子儀器從數據到決策的自動化解方，以及奠基於人工智慧(AI)的3D細胞培養平台。崔瑞廷說明，分子儀器為丹納赫集團(Danaher)旗下一員，專注的生命科學解決方案，包含：細胞株開發、3D生物學及藥物篩選等，今年分子儀器也於去年併購了Cellesce，大幅增加患者衍生類器官(PDO)的生產量能。
 
崔瑞廷也分享，在類器官上，分子儀器與美國醫療AI開發公司Tempus Labs合作，在2021年7月於《Cell Reports》發表一項利用多種癌症類器官平台，用於預測投藥後有無效果的精準醫療研究。
 
器官晶片方面，分子儀器也與Mimetas合作開發首個體外組織培養平台OrganoPlate Graft，可在64孔盤將細胞團塊(spheroids)、類器官或組織，與預先建好的微血管或3D組織網絡共同培養，重現腫瘤在體內生長的實際情形，並可透過分子儀器的ImageXpress® Micro Confocal共軛焦高內涵影像分析平台進行拍攝與分析進行觀察與拍攝。
 
在活動會場中，分子儀器也實機展示CellXpress.ai自動化細胞培養系統。崔瑞廷表示，CellXpress.ai將細胞培養、液體控制、監測分析、流程規劃整合成一站式解決方案，且在每個細胞培養步驟中，皆由AI分析軟體判定結果是否足以進入下個階段，適合流程複雜且耗時的誘導型多潛能幹細胞(iPSC)、細胞團塊、腫瘤類器官(tumoroids)和類器官模型培養。
 

張郁芬：iPSC高通量藥物篩選平台 實現心肌、神經活細胞長期觀測

 
昱星生技執行長張郁芬 (攝影/巫芝岳)

昱星生技執行長張郁芬，介紹了其公司開發的「iPSC高通量藥物篩選平台」，該平台運用iPSC分化出不同組織的細胞，再結合LumiRDT活細胞生物影像平台，可進行長時間、無毒性的細胞觀察。張郁芬表示，在臨床前階段中，這項方法能夠有效幫助開發人員篩選候選藥物。
 
張郁芬分享，由於以傳統光學方式觀測活細胞，多需使用化學染劑進行，其對細胞生長影響嚴重，可能連續觀察1小時後細胞活性即大幅下降，但LumiRDT平台應用於心肌細胞中，甚至可連續觀察長達65天。
 
除了細胞型態外，昱星也開發了能夠偵測不同細胞功能的方法，例如運用光控制心肌細胞活性下，能夠清楚觀察出不同藥物對心肌細胞活性的影響；在神經細胞中，昱星也已建立完整的神經細胞觀測平台。
 
此外，昱星的另一項目標為建構「Clinical trial in a dish」平台，並首先以阿茲海默症為目標，其運用患者的iPSC，開發蘊含腦中皮質神經和多種神經膠細胞的類器官，並實際以美國食品藥物管理局(FDA)已批准的藥物Aduhelm進行測試，可觀察到類器官經藥物處理後確實改善。
 
在與分子儀器合作下，昱星也在台北生技園區建構其平台技術整合自動化設備的實驗室，預計今年底可提供大量驗證的服務。
 
(報導/巫芝岳、彭梓涵、吳培安)