下一代「類器官/器官晶片」技轉落地戰

類器官/器官晶片助攻細胞研究、篩藥平台實現精準醫療願景

撰文記者吳培安

日期2024-08-26

7月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」論壇盛大登場。(攝影/巫芝岳)

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7月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，國家實驗動物中心秦咸靜主任、北美智權劉家豪專利師，分別從新藥開發的動物替代系統趨勢、專利檢索與專利地圖分享發展契機；此外，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、昱星生技執行長張郁芬，也分享這項技術在細胞基礎科學研究、篩藥平台的應用。

撰文/吳培安、巫芝岳、彭梓涵、李林璦

國家生技研究園區創服育成中心施修明執行長致詞表示，類器官/器官晶片已是全球熱議的議題，也是產業發展的方向。他指出，類器官/器官晶片不單能解決學研、產業在生物醫學研究與藥物開發上大量使用實驗動物的挑戰，也是產業發展革命性的技術。

他表示，臺灣有優良的醫療服務、臨床試驗制度，再加上基因體數據、半導體發展優勢，在發展類器官/器官晶片上，勢必有重大突破的轉捩點。

國家生技研究園區創服育成中心施修明執行長表示，臺灣有優良的醫療服務、臨床試驗制度，再加上基因體數據、半導體發展優勢，在發展類器官/器官晶片上，勢必有重大突破的轉捩點。（攝影/巫芝岳）

⊕ 曾繁根»打造開創型3D器官晶片輔助臨床試驗、用藥指引

活動首先由國內微型化奈米系統研究領銜學者—清大曾繁根特聘教授演講。他在晶片開發上有20多年經驗，最早從蛋白質晶片做起，接著投入循環腫瘤細胞(CTC)領域。

他表示，CTC在血液循環中非常稀有、收集不易，因此他們開發出細胞自組裝陣列晶片(SACA)，透過SACA晶片的CTC回收率可超過95%，超越市售產品。

曾繁根表示，SACA晶片不只可用於檢測，更能將收集到的細胞放大，作為藥物預測的平台，因此，他將SACA晶片進一步開發成通用型器官晶片，其能透過特殊設計塗層，讓細胞在2~3天集結成團、第5天形成腫瘤缺氧核，培養的腫瘤團塊體積大小可達百微米(Micron)。

此外，這種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值、氧氣、細胞因子(Cytokines)等。

「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。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。」曾繁根說。

清大曾繁根特聘教授在晶片開發上有20多年經驗，最早從蛋白質晶片做起，接著投入循環腫瘤細胞(CTC)領域。(攝影/巫芝岳)

⊕ 秦咸靜»類器官/器官晶片「牽手非敵手」與動物實驗雙軌併進最好！

國家實驗動物中心主任秦咸靜表示，雖然類器官/器官晶片被視為動物實驗的替代方案，但這些以人類細胞為基礎的模型(Human Cell-Based Model)，很難馬上取代動物實驗體系。

不過，使用這些模型能更以人為核心，反映出人類細胞正確的作用機制，消除人類與實驗動物之間的物種隔閡，進而改善模型轉譯能力，甚至實現精準醫療，輔助動物實驗的不足之處，同時也減少動物犧牲。

秦咸靜說明，以人類為基礎的模型從構成簡單到複雜，包含了：2D細胞培養、3D細胞培養、器官晶片、人體晶片等。它們並沒有優劣之分，而是研究人員根據不同的目的，採用不同的模型，例如疾病模式(Model)適合使用複雜度高的系統，藥物篩選則適合用構成簡單、可以高通量檢測的系統。

秦咸靜也分享，目前國際上開發類器官/器官晶片有4大挑戰，是所有開發者都必須面對的，分別是可信的細胞來源、負擔得起的晶片、可轉譯的細胞模型、藥物測試的可重現性。

她指出，臺灣目前已經有人類疾病誘導型多潛能幹細胞服務聯盟(iPSC聯盟)、人源腫瘤活組織庫(PDX)，也有完善的晶片製造供應鏈提供潛在利基，但也建議開發者，具多種生物學用途的晶片，較不易被市場淘汰。

國家實驗動物中心主任秦咸靜表示，雖然類器官/器官晶片被視為動物實驗的替代方案，但很難馬上取代動物實驗體系。(攝影/巫芝岳)

⊕ 劉家豪»類器官全球專利佈局10年前萌芽！中國專利超美國2倍

北美智權專利師劉家豪分享類器官/器官晶片的全球專利佈局，他指出，全球的類器官領域其實在十年前就已經佈局，從技術生命週期來看，從2009年開始有3D腸道類器官出現、2010年則有肺器官晶片崛起，2014年類器官/器官晶片技術開始萌芽，在2021年達到一年750件以上申請專利的高峰，對發展創新技術的企業來說，智財佈局十分重要，不僅要避免被侵權，也要避免侵害他人專利。

劉家豪表示，北美智權運用專利分析類器官/器官晶片的全球專利申請趨勢、法律狀態、國籍分佈、競合對象，其中分析的範圍包含臺灣、美國、歐洲、中國、日本、韓國與世界財產權組織(WIPO)，找到7,761筆專利資料，進行家族整合後，實際上類器官相關專利技術共有3,680個技術點。

劉家豪指出，從全球申請者面向來看，目前持有專利數量最多者大多聚集在學研界，如數量排行一、二的荷蘭皇家藝術與科學學院及哈佛大學，而以類器官晶片領域而聞名的公司Emulate排行第五，大多是用授權方式將專利持有數量衝高。

劉家豪也表示，受理類器官晶片專利申請的國籍數量排名第一為中國，數量是第二名美國的兩倍以上，臺灣落在第十名。雖然中國多是個人申請，但趨勢來看中國還是十分積極佈局類器官領域。

而從技術領域分析，則發現前十名類器官專利的技術領域目前還是多與培養裝置、酵素相關，不過排行第三名為人工智慧(AI)相關領域，顯示類器官領域中逐漸走向智慧化的趨勢。

北美智權專利師劉家豪分享類器官/器官晶片的全球專利佈局，並指出前10名類器官專利的技術領域中，前3名為培養裝置、酵素、AI相關領域。(攝影/巫芝岳)

⊕ 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，介紹了其實驗室近年開發的多項組織晶片或器官晶片技術，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，在不同方向應力作用下產生的反應；另外，透過放置於細胞培養晶片下的感測器，還能整合及時觀察與監測的功能。

中研院應用科學中心研究員董奕鍾，介紹其實驗室近年開發的多項組織晶片或器官晶片技術，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。(攝影/巫芝岳)

⊕ 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

香港分子儀器應用專家崔瑞廷，則介紹分子儀器從數據到決策的自動化解方，以及奠基於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，分子儀器也於2022年12月併購了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、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。