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创新产品/技术

2018-2023年全球类器官芯片市场规模及预测

火石创造

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2023/12/07
日前,清华大学《探臻科技评论》2023“青年最关注的改变未来十大变革科技”榜单发布。类器官芯片被认为“打造仿生人体的体外模型,医药行业的颠覆性技术”上榜。
最近,清华大学的《探臻科技评论》发布了2023年"青年最关注的改变未来十大变革科技"榜单。其中,类器官芯片被列为"打造仿生人体的体外模型,医药行业的颠覆性技术"之一。

类器官芯片是一种在芯片上构建的器官生理微系统,其核心是微流控芯片。通过结合细胞生物学、生物材料和工程学等多种方法,类器官芯片可以在体外模拟构建包含多种活体细胞、功能组织界面、生物流体和机械力刺激等复杂因素的组织器官微环境,以反映人体组织器官的主要结构和功能特征。

类器官芯片在药物筛选、疾病模拟、个性化医疗、毒性测试等领域具有广泛的应用前景。现在我们将深入了解这项新技术,探索类器官芯片产业的发展态势,与火石创造一同探讨这一领域的新技术。


01、类器官芯片产业全景图

(一)产业链条

类器官芯片产业的上游行业包括生物材料制造商、微流控芯片制造商、化学试剂制造商和医用材料制造商等。生物材料制造商主要生产和供应类器官芯片制造过程中所需的细胞、蛋白质、细胞外基质等生物材料,是类器官芯片制造的关键组成部分。微流控芯片制造商生产和供应类器官芯片制造中所需的微流控芯片,负责控制细胞培养的环境和微观流体的运动。上游行业在类器官芯片的质量和效果方面起到关键作用。目前,由于类器官芯片行业尚处于发展早期,中下游需求尚未放量。据不完全统计,上游的企业数量占比高达80%。中游为类器官芯片生产制造企业,市场规模相对较小,但全球范围内已经涌现出了不少相关的科研机构、初创企业和大型企业。下游行业主要是医疗和生命科学研究等领域。在医疗领域,类器官芯片可应用于药物筛选、毒性测试、个体化医疗、移植医学等方面。在生命科学研究领域,类器官芯片可用于细胞和组织的研究,以及疾病发病机制、药物作用机理等方面的问题。此外,类器官芯片还可以应用于食品安全、化妆品测试、环境保护等领域。

图 类器官芯片产业链全景图


(二)功能分类

1.脑器官芯片:采用双通道结构,分别形成神经血管单元的血管端和神经端,中间由多孔聚碳酸酯膜隔开,分别由两套流路系统进行控制,以模拟血脑屏障结构。通过恒定的流速灌注培养,可模拟体内情况下的血脑屏障结构。

2.肝器官芯片:在芯片上建立肝脏的部分生理学模型,如胆小管、肝小叶、肝血窦模型等,并利用这些生理模型进行药物研发和毒理学研究。肝芯片的优势在于能够在微米量级形成具有部分肝功能的细胞簇,进而构成接近人体形态学的肝模型,并在较长时间内保持肝脏特异性的功能。

3.肾器官芯片:利用微流控芯片系统对微流体、细胞及其微环境进行操控,构建以在体外模拟肾脏功能为主要目标的集成微系统。肾芯片技术为药物和疫苗的有效性和安全性评估,以及生物医学研究提供了更接近人体真实生理和病理条件的、成本更低的研究模型。

4.肺器官芯片:含有上下两个通道,两个通道由一种薄的柔性多孔膜隔开。将不同的细胞培养在膜两侧:上通道为人肺泡上皮细胞,下通道为人肺微血管内皮细胞。肺芯片的微装置中诱导培养了内皮和上皮细胞,可以表现出复杂的器官层次的生理功能。

5.心脏器官芯片:能够模拟心脏的不同特性,如机械性收缩运动、分子运输、电刺激和对某些药物刺激的特定反应等。通过在微流体通道中培养不同类型的细胞,如心肌细胞和血管内皮细胞,可以产生适当的心脏组织,准确研究心肌组织的复杂体系结构。

6.肠器官芯片:作为一种重要的研究工具,常用于药物吸收、肠道炎症和大肠癌等研究。

7.血管器官芯片:能够加快对血管网络这一复杂系统的病理、生理学研究。



02类器官芯片产业发展情况

(一)市场规模

全球类器官芯片市场规模在2018年至2022年间从0.21亿美元增长至0.88亿美元,预计到2023年将达到1.22亿美元。在中国市场方面,2019年以前,由于缺乏商业化生产能力,国内类器官芯片需求完全依赖进口。然而,自2019年以来,随着中国类器官芯片技术的逐步成熟,产品上市推广加快,并且价格优势明显,市场规模不断扩大。2022年,中国类器官芯片市场规模达到0.05亿美元,占全球市场的5.69%;预计到2023年,中国类器官芯片市场规模将达到0.13亿美元,占全球市场的10.80%。

图 2018-2023年全球类器官芯片市场规模(亿美元)


中国的类器官芯片企业主要分布在珠三角、长三角和北京地区。这主要是因为类器官芯片企业需要依托创新资源,并与高校、医院和研究机构在成果转化方面进行密切合作。例如,东南大学苏州医疗器械研究院由东南大学、苏州高新区和江苏省产业技术研究院共同建立,该研究院在肿瘤类器官、心脏类器官、器官芯片及上游材料与设备自动化方面取得了突破,并孵化出了艾玮得生物等代表性企业。复旦大学的遗传工程国家重点实验室的"类器官中心"致力于类器官前沿技术开发和再生医学应用研究,构建了全球首例人源类器官新冠病毒感染模型。


图 2022-2026年中国类器官芯片市场规模及预测(亿美元)


从企业角度来看,全球类器官芯片行业市场集中度较高,由北美和欧洲地区的厂商主导,主要企业包括Emulate、Mimetas、TissUse和ValoHealth等,其中前三家企业的市场份额达到44.87%。近年来,中国的类器官芯片行业取得了较大突破,产品成熟度不断提高,并实现了商业化应用。目前,中国的类器官芯片主要企业包括北京大橡科技有限公司、安徽骆华生物科技有限公司、江苏艾玮得生物科技有限公司和苏州济研生物医药科技有限公司等。


表 全球及中国类器官芯片重点企业

来源:火石创造


(二)相关政策

从全球来看,各国政府都在大力支持和推动类器官芯片产业的发展,其中美国尤为重视。2012年,美国的国立卫生研究院(NIH)、食品药品监督管理局(FDA)和国防部高级研究计划局(DARPA)共同投入7500万美元发起了"Organs-on-chips"挑战项目,将类器官相关技术提升到国家战略层面。此外,美国还支持成立了国际微生理系统学会(iMPSS)和IQ联盟(Innovation and Quality Consortium)等相关产业联盟组织,设立了多家器官芯片测试中心,推动相关行业标准的制定,加快了类器官芯片产业的商业化进程。

到了2023年1月,FDA允许类器官芯片替代动物实验用于药物的临床前研究,这使得类器官芯片进入了一个新的发展阶段。欧盟在政策和资金方面也不断增加对类器官芯片产业的支持力度。在政策方面,欧盟于2013年颁布了禁止动物用于化妆品测试等政策,大大推动了行业对类器官芯片等动物替代技术的关注。在资金方面,欧盟的第七框架计划(7th Framework Programme)是全球投资最多的科技开发计划之一,其中包括了类器官芯片相关项目。

在中国,近年来相继出台了一系列政策,系统性地推动类器官芯片产业的发展。从2018年到2020年,类器官相关课题连续三年出现在国家自然科学基金项目指南中。2021年,国家科技部发布了《关于对“十四五”国家重点研发计划6个重点专项2021年度项目申报指南征求意见的通知》,将"基于类器官的恶性肿瘤疾病模型"列为"十四五"国家重点研发计划中首批启动的重点专项任务。同年11月,国家药品监督管理局药品审评中心首次将类器官列入基因治疗及细胞治疗的验证指南基因治疗产品非临床药理学研究。2022年7月,中国发布了首个类器官指导肿瘤精准药物治疗的专家共识。此外,中国还支持实验室自建检测方法(LDT)的试点工作,这大大激发了类器官芯片相关企业将产品应用于临床发展的热情,目前上海、广州等地的一些公立医疗机构已经被列为试点综合类单位。

来源:火石创造


03、发展未来

近年来,类器官芯片技术逐渐展现出其应用的价值,应用场景也不断扩大和丰富,该产业的发展进入了一个新阶段。未来,类器官芯片产业将加快与人工智能、高通量检测技术、基因编辑、3D生物打印和新型生物材料等多种创新技术的融合,不断拓展应用边界,并朝着自动化、高通量、体外实时检测、精细化和系统化的方向发展。在国内市场方面,受政策引导的影响,随着创新药和生物药领域的快速发展,对类器官芯片的需求将进一步增加。

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