
編者按
當(dāng)前,腫瘤患者來(lái)源的類器官(Patient-derived organoids, PDOs)已成為一種極具吸引力的研究模型,可用于轉(zhuǎn)化研究、新藥研發(fā)和個(gè)性化診療的預(yù)測(cè)。根中國(guó)國(guó)家癌癥中心最新報(bào)告,2022年我國(guó)約有257萬(wàn)人死于癌癥,且中國(guó)新發(fā)癌癥病例約482萬(wàn)例。隨著癌癥發(fā)病率和死亡率的不斷攀升,開(kāi)發(fā)精準(zhǔn)的腫瘤檢測(cè)和治療臨床前模型勢(shì)在必行。
2024年5月27日,由陳曄光院士、高紹榮院士聯(lián)合國(guó)內(nèi)頂尖科研院所及醫(yī)院的專家發(fā)表的首篇類器官藥敏檢測(cè)英文專家共識(shí)——《Building consensus on the application of organoid-based drug sensitivity testing in cancer precision medicine and drug development》在Theranostics(IF=12.4)發(fā)表,該共識(shí)重新定義了基于患者衍生類器官(Patient-Derived Organoids, PDOs)的藥物敏感性測(cè)試(Drug Sensitivity Testing, DST),為標(biāo)準(zhǔn)化PDOs藥物敏感性測(cè)試(DST)首次提供了指導(dǎo)原則,填補(bǔ)類器官藥敏檢測(cè)領(lǐng)域?qū)<夜沧R(shí)的空白,并概述了PDOs在癌癥精準(zhǔn)醫(yī)療和藥物開(kāi)發(fā)中的八大潛在應(yīng)用,為癌癥治療的個(gè)性化和創(chuàng)新藥物的發(fā)現(xiàn)提供了新的視角和方法論。
文章題目
Building consensus on the application of organoid-based drug sensitivity testing in cancer precision medicine and drug development
雜志:《Theranostics》(IF=12.4)
發(fā)表時(shí)間:2024年5月27日
作者:陳曄光院士(清華大學(xué)、南昌大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院),高紹榮院士(教育部“細(xì)胞干性與命運(yùn)編輯”前沿科學(xué)中心、同濟(jì)大學(xué))、劉連新教授(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬第一醫(yī)院(安徽省立醫(yī)院))、劉穎斌教授和向冬喜教授(腫瘤系統(tǒng)醫(yī)學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市腫瘤研究所、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院)
01、腫瘤類器官及應(yīng)用場(chǎng)景
腫瘤類器官是具有三維(3D)結(jié)構(gòu)的體外培養(yǎng)模型,由具有干細(xì)胞特征的細(xì)胞自我分化而來(lái),可長(zhǎng)期擴(kuò)增并重現(xiàn)腫瘤組織中復(fù)雜的細(xì)胞異質(zhì)性和空間結(jié)構(gòu),保留病理組織學(xué)特征和一些遺傳特征等。PDOs是器官或組織的微型簡(jiǎn)化版本,可通過(guò)構(gòu)建疾病模型、搭建生物樣本庫(kù)、模擬腫瘤微環(huán)境、藥物發(fā)現(xiàn)、精準(zhǔn)醫(yī)療和基因編輯等,為腫瘤研究和藥物發(fā)現(xiàn)提供有價(jià)值的平臺(tái)。
腫瘤類器官的應(yīng)用場(chǎng)景主要包括:
1. 構(gòu)建能夠再現(xiàn)原發(fā)腫瘤組織的體外模型:PDOs通過(guò)采集不同來(lái)源的腫瘤樣本培養(yǎng)而成,包括原發(fā)性腫瘤、循環(huán)腫瘤細(xì)胞和轉(zhuǎn)移病灶等。在機(jī)械和/或酶消化的作用下對(duì)組織進(jìn)行預(yù)處理,腫瘤細(xì)胞最終在基質(zhì)中生長(zhǎng)成為三維腫瘤PDOs。PDOs內(nèi)有多種異質(zhì)細(xì)胞,每種細(xì)胞在復(fù)雜的癌癥發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中都扮演著獨(dú)特的角色。
2. 建立活體PDOs類器官生物樣本庫(kù):PDOs可長(zhǎng)期擴(kuò)增、冷凍保藏和復(fù)蘇,在活躍增殖階段進(jìn)行冷凍保藏,可提高其復(fù)蘇效率。將PDOs置于含有冷凍溶液的冷凍管中,冰上放置30分鐘后在-80°C下冷凍保存過(guò)夜,并轉(zhuǎn)移到液氮中長(zhǎng)期儲(chǔ)存。PDOs復(fù)蘇時(shí),可在37°C下快速解凍,再置于培養(yǎng)皿中進(jìn)一步操作。冷凍/解凍單細(xì)胞懸液或大型且分化的類器官時(shí)如操作不當(dāng),可能會(huì)導(dǎo)致復(fù)蘇不良、形態(tài)變化或?qū)λ幬锖Y選結(jié)果產(chǎn)生潛在影響。因此,應(yīng)遵循與細(xì)胞系類似的冷凍/解凍原則,且PDOs應(yīng)在復(fù)蘇后的1-2周內(nèi)恢復(fù)其擴(kuò)增能力。
3. 體外腫瘤模型提供了一種極具價(jià)值的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái),使研究人員能夠調(diào)整諸如營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)、氧氣水平和藥物處理等變量,進(jìn)而探究它們?nèi)绾斡绊懩[瘤細(xì)胞行為。
4. PDOs可以預(yù)測(cè)不同類型癌癥患者的臨床反應(yīng),如結(jié)直腸癌、乳腺癌、肺癌、卵巢癌、尿路上皮癌、胃腸道腫瘤和胰腺癌等,也可以進(jìn)行前瞻性治療評(píng)估,從而推進(jìn)腫瘤精準(zhǔn)醫(yī)療。通過(guò)培養(yǎng)PDOs篩選潛在最有效的治療方案,通過(guò)優(yōu)化治療方案和減少不必要的副作用,為改善患者預(yù)后提供了可能。
5. 通過(guò)基因編輯技術(shù)對(duì)腫瘤驅(qū)動(dòng)基因進(jìn)行編輯,可以開(kāi)發(fā)出基因修飾的腫瘤類器官模型,從而研究腫瘤基因突變的發(fā)育機(jī)制,并用于腫瘤生物學(xué)研究、耐藥機(jī)制探索和癌癥治療新方法的開(kāi)發(fā)。

圖1為類器官模型廣泛的應(yīng)用前景
02、8大專家共識(shí)及解讀
• 專家共識(shí)1:PDOs在臨床前研究中具有廣闊的應(yīng)用前景,可用于新治療靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證、藥效學(xué)評(píng)價(jià)、實(shí)時(shí)診斷生物標(biāo)志物的檢測(cè)、藥物適應(yīng)癥的拓展、藥物作用、耐藥機(jī)制的探索以及體內(nèi)藥代動(dòng)力學(xué)等方面。
解讀:在臨床前研究中,PDOs作為一種高效的“患者替身”,能夠精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)來(lái)源腫瘤組織的復(fù)雜細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能,為探索疾病機(jī)制,闡明分子途徑以及探索治療干預(yù)提供了一個(gè)卓越的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。隨著對(duì)不同組織來(lái)源的類器官進(jìn)行建模,它們?cè)诙嘟M學(xué)分析和基因編輯研究中的應(yīng)用變得日益重要,特別是臨床前藥物開(kāi)發(fā)階段,在識(shí)別新的藥物靶點(diǎn)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用(圖2)。
PDOs模擬了來(lái)源腫瘤組織的生物學(xué)特征,從而為制定匹配的個(gè)性化治療策略提供了支持。目前報(bào)道的腫瘤類器官模型覆蓋了食管癌、肺癌、乳腺癌、胃癌、腎癌、結(jié)直腸癌和肝癌等多個(gè)癌種。同時(shí),PDOs作為有效的臨床前藥物研發(fā)模型,被廣泛應(yīng)用于發(fā)現(xiàn)新的藥物靶點(diǎn)、測(cè)試藥物劑量、探索診斷生物標(biāo)志物、重新利用現(xiàn)有藥物,并構(gòu)建PDO-異種移植(PDOX)模型等。

圖2為腫瘤類器官模型在精準(zhǔn)醫(yī)療和藥物發(fā)現(xiàn)中的應(yīng)用
• 專家共識(shí)2:藥物的臨床前研究在很大程度上依賴于穩(wěn)健的模型。PDOs非常適用于研究罕見(jiàn)的惡性腫瘤、無(wú)可用模型的腫瘤和耐藥腫瘤。
解讀:對(duì)那些缺乏有效臨床前研究模型的疾病,腫瘤PDOs模型可作為一種重要的替代方案(圖2),如腫瘤PDOs模型特別適用于研究罕見(jiàn)腫瘤;腫瘤PDOs模型包含了傳統(tǒng)細(xì)胞系模型所不具備的新型治療靶點(diǎn);耐藥腫瘤類器官等。通過(guò)解析腫瘤細(xì)胞間相互作用、以及腫瘤細(xì)胞與周圍的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)相互作用,有助于研究影響腫瘤行為、免疫反應(yīng)和耐藥性的關(guān)鍵表型與機(jī)制。這種生理相關(guān)性提供了對(duì)腫瘤生物學(xué)的更全面理解,使探索新的治療靶點(diǎn)和治療方法成為可能。
• 專家共識(shí)3:臨床試驗(yàn)表明,PDO-DST的結(jié)果與患者的實(shí)際臨床結(jié)果密切一致。將PDO-DST整合到臨床研究中可以作為臨床治療反應(yīng)的預(yù)測(cè)性生物標(biāo)志物。
解讀:通過(guò)構(gòu)建與患者相匹配的類器官模型,研究人員能夠測(cè)試并分析這些模型對(duì)不同治療方案的響應(yīng)情況,進(jìn)而確定出針對(duì)特定患者的最佳治療策略。類器官在癌癥治療領(lǐng)域的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括:
1. 新輔助治療:對(duì)局部晚期癌癥患者進(jìn)行前瞻性和干預(yù)性臨床研究,篩選腫瘤治療選擇方案并預(yù)測(cè)新輔助治療的潛在受益者。
2. 挽救性治療:對(duì)復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)高或已復(fù)發(fā)的患者,進(jìn)行前瞻性和干預(yù)性臨床研究,旨在識(shí)別潛在的治療受益者。
3. 姑息治療:對(duì)無(wú)手術(shù)指征的惡性腫瘤復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移以及一線或二線治療失敗的患者進(jìn)行前瞻性和干預(yù)性臨床研究,以評(píng)估精準(zhǔn)治療的潛在受益者。
• 專家共識(shí)4:類器官藥物敏感性檢測(cè)已開(kāi)始應(yīng)用于臨床服務(wù)領(lǐng)域;經(jīng)認(rèn)可的機(jī)構(gòu)被鼓勵(lì)進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室自建開(kāi)發(fā)測(cè)試(LDT)的流程。
解讀:如何探索類器官藥物敏感性檢測(cè)的LDT模式?在臨床實(shí)驗(yàn)室自建檢測(cè)方法(LDTs)中,對(duì)基于患者來(lái)源組織構(gòu)建的類器官進(jìn)行藥物敏感性檢測(cè)的研究與應(yīng)用是一個(gè)不斷發(fā)展的領(lǐng)域。
這項(xiàng)測(cè)試旨在評(píng)估類器官對(duì)不同藥物或治療方案的反應(yīng)和敏感性。目前已經(jīng)成功在體外構(gòu)建了多種實(shí)體瘤的類器官藥物敏感性檢測(cè)模型,涵蓋了乳腺癌、膀胱癌、胃癌和直腸癌等多種癌癥類型,這些模型證實(shí)了實(shí)驗(yàn)室中藥物敏感性測(cè)試的結(jié)果與實(shí)際臨床治療效果之間的高度一致性,并為研究腫瘤對(duì)藥物的敏感性和耐藥性提供了強(qiáng)有力的工具。
盡管還需要更多的研究來(lái)驗(yàn)證類器官藥物敏感性檢測(cè)是否能夠提高患者的無(wú)病生存期和總生存期,但為了患者臨床獲益,鼓勵(lì)醫(yī)療機(jī)構(gòu)將這一創(chuàng)新平臺(tái)整合到其臨床實(shí)驗(yàn)室自建開(kāi)發(fā)的測(cè)試(LDTs)中,將使醫(yī)療工作者能夠基于患者腫瘤的具體生物學(xué)特性,為患者量身定制更為精準(zhǔn)的治療方案,進(jìn)而顯著提升治療效果(圖3)。
類器官模型用于藥物敏感性檢測(cè)的過(guò)程可分為:
1. 樣本獲取:原發(fā)/轉(zhuǎn)移性腫瘤、活檢、體液和患者衍生異種移植(PDX)樣本等;
2. 藥物篩選:包括樣本運(yùn)輸、類器官培養(yǎng)、藥物篩選和數(shù)據(jù)分析;
3. 臨床治療:為接受化療、放療、靶向治療、免疫治療和聯(lián)合治療等治療方案的患者提供治療選擇。

圖3為類器官模型用于藥物敏感性檢測(cè)的過(guò)程
在將PDOs-DST納入臨床LDT時(shí)要考慮以下幾點(diǎn):
1. 在臨床LDT中實(shí)施PDOs-DST需嚴(yán)格的驗(yàn)證、標(biāo)準(zhǔn)化和監(jiān)管審批,以確保其準(zhǔn)確性、可重復(fù)性和臨床實(shí)用性;
2. 涉及到在各種監(jiān)管框架中找到合適的空間與方向,并滿足嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn),以確保患者的安全性和檢測(cè)結(jié)果的可靠性;
3. LDT領(lǐng)域在不斷發(fā)展,在臨床LDT中探索PDOs-DST的決策取決于多種因素,包括科學(xué)證據(jù)、監(jiān)管方面的考慮及醫(yī)療界的需求和優(yōu)先事項(xiàng)等;
4. 對(duì)PDOs-DST及其納入臨床LDT的最新?tīng)顟B(tài)和潛在未來(lái)發(fā)展的最準(zhǔn)確與最新的信息,建議調(diào)研科學(xué)文獻(xiàn)、咨詢監(jiān)管機(jī)構(gòu)以及該領(lǐng)域的專業(yè)醫(yī)療專家。
• 專家共識(shí)5:PDO-DST和二代測(cè)序都屬于精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。然而,PDO-DST具有更高級(jí)的應(yīng)用場(chǎng)景,如新輔助和/或姑息性化療、一線治療無(wú)效、晚期和罕見(jiàn)癌癥、轉(zhuǎn)移性腫瘤等,可以貫穿整個(gè)癌癥治療過(guò)程。
解讀:哪些患者將從類器官藥物敏感性檢測(cè)中獲益?在癌癥的臨床治療中,分子標(biāo)記物的識(shí)別和審慎應(yīng)用扮演著舉足輕重的角色。然而,真正從基于NGS的精準(zhǔn)醫(yī)療中獲益的患者比例并不高,不到7%,這一現(xiàn)狀凸顯了癌癥治療中的挑戰(zhàn)和復(fù)雜性。
然而,Vlachogiannis在2018年報(bào)告稱,類器官藥物敏感性檢測(cè)在晚期胃腸腫瘤的治療中展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。該檢測(cè)不僅實(shí)現(xiàn)了100%的陰性預(yù)測(cè),而且陽(yáng)性預(yù)測(cè)也高達(dá)88%,為PDOs的臨床應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。類器官藥物敏感性檢測(cè)可以為患者對(duì)特定藥物或治療方案的反應(yīng)提供有價(jià)值的參考,從而指導(dǎo)治療決策并改善患者預(yù)后。
類器官藥物敏感性檢測(cè)可能獲益的人群包括:1) 實(shí)體腫瘤患者;2) 接受新輔助化療的患者;3) 考慮靶向治療的患者;4) 患有罕見(jiàn)或難治性腫瘤的患者;5) 初始治療失敗的患者;6) 復(fù)發(fā)或轉(zhuǎn)移性腫瘤患者;7) 對(duì)放療耐藥的腫瘤患者;8) 晚期癌癥患者;9) 治療選擇有限的患者
• 專家共識(shí)6:對(duì)于PDO-DST,通過(guò)穿刺或胃腸內(nèi)鏡獲得的小手術(shù)活檢樣本可以作為癌組織的來(lái)源。類器官培養(yǎng)的成功取決于諸如起始組織樣本中細(xì)胞的活力和質(zhì)量等因素,以及用于類器官生成的具體方案和培養(yǎng)條件。研究人員和臨床醫(yī)生在為他們的研究或臨床應(yīng)用選擇最合適的樣本類型時(shí)需要考慮這些因素。
解讀:哪些類型的樣本適用于類器官培養(yǎng)?PDOs可根據(jù)具體的研究或臨床目標(biāo)使用不同類型的樣本培養(yǎng)構(gòu)建。不同樣本類型對(duì)PDOs培養(yǎng)的適用性可能因相關(guān)器官、可及性和組織完整性的保存等因素而異,獲取高質(zhì)量的樣本是類器官成功構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在避免使用壞死、受損或纖維化組織的同時(shí),采集更多的腫瘤細(xì)胞,成功率會(huì)更高。
適用于類器官培養(yǎng)的主要樣本類型包括:1)外科手術(shù)切除的新鮮樣本;2)經(jīng)皮或內(nèi)窺鏡活檢樣本;3)液體活檢樣本;4)冷凍保存的樣本;5)患者來(lái)源的異種移植(PDX)樣本。
• 專家共識(shí)7:PDO-DST可用于預(yù)測(cè)個(gè)體患者化療、放療、靶向治療和免疫治療的療效。
解讀:類器官藥物敏感性檢測(cè)能夠?qū)δ男┲委煵呗赃M(jìn)行評(píng)估?主要治療策略包括:
1. 化療:化療是目前治療實(shí)體瘤的主要方法,也是PDOs-DST的主要應(yīng)用方向,包括單藥和藥物聯(lián)合治療。PDOs-DST與患者臨床響應(yīng)之間的相關(guān)性已經(jīng)得到了廣泛的報(bào)道。
2. 放療:與化療相似,包括單獨(dú)放療和與其它藥物聯(lián)用的組合治療。
3. 靶向治療:靶向治療在大多數(shù)實(shí)體瘤治療中尚未得到充分利用,但肺部和乳腺惡性腫瘤除外。對(duì)臨床診斷和治療建議,PDOs-DST、組織學(xué)標(biāo)記與大規(guī)模、高通量基因突變篩查可能會(huì)成為常規(guī)手段。
4. 免疫治療:免疫療法作為一種癌癥治療手段,展現(xiàn)出了巨大的潛力和應(yīng)用前景。然而,還需進(jìn)一步的研究來(lái)探索如何利用類器官藥物敏感性檢測(cè)來(lái)預(yù)測(cè)其在臨床上的效果,包括:如何在體外維持免疫微環(huán)境、如何將類器官與免疫細(xì)胞共培養(yǎng)、如何在類器官模型中評(píng)估免疫檢查點(diǎn)抑制劑(ICIs)的療效,以及免疫與化療聯(lián)合療法的療效、如何在體外試驗(yàn)中評(píng)估適應(yīng)性細(xì)胞療法(如CAR-T和TILs)的療效等。
5. 聯(lián)合療法:PDOs-DST可以幫助優(yōu)化聯(lián)合療法。通過(guò)檢測(cè)PDOs對(duì)各種藥物組合的響應(yīng),臨床醫(yī)生可以確認(rèn)增強(qiáng)治療效果的協(xié)同或疊加效應(yīng),有助于設(shè)計(jì)個(gè)性化的聯(lián)合療法策略,有可能提高響應(yīng)率并克服藥物耐藥性。
特別是,PDOs-DST可用于優(yōu)化現(xiàn)有的免疫與聯(lián)合療法,以及評(píng)價(jià)新型的聯(lián)合手段。在臨床上,免疫療法正在越來(lái)越多地與化療、放療和靶向療法相結(jié)合。目前已經(jīng)有各種多中心、前瞻性和大規(guī)模的聯(lián)合療法臨床研究,這些臨床試驗(yàn)的結(jié)果將通過(guò)PDOs模型進(jìn)行驗(yàn)證。
• 專家共識(shí)8:為進(jìn)一步推動(dòng)PDO-DST及其臨床應(yīng)用,需要研究人員、臨床醫(yī)生、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和醫(yī)療保健利益相關(guān)者之間的合作努力。時(shí)效性是PDO-DST臨床應(yīng)用需考慮的因素,可能的話,在1到3周內(nèi)產(chǎn)生報(bào)告,并且必須通過(guò)技術(shù)發(fā)展逐步縮短PDO-DST所需的時(shí)間。持續(xù)的研發(fā)、驗(yàn)證研究、技術(shù)進(jìn)步和建立共識(shí)的努力對(duì)于克服這些局限性和發(fā)揮精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)中PDO-DST的全部潛力至關(guān)重要。
解讀:類器官藥物敏感性檢測(cè)在臨床應(yīng)用前需要克服哪些關(guān)鍵問(wèn)題和挑戰(zhàn)?在將類器官藥物敏感性檢測(cè)轉(zhuǎn)化為臨床實(shí)踐的過(guò)程中,遇到了一些關(guān)鍵性的障礙和限制條件,這些問(wèn)題需要被有效解決以便推動(dòng)其更廣泛的應(yīng)用。
值得關(guān)注和解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)包括(圖4):樣本獲取和處理;流程標(biāo)準(zhǔn)化;建模和檢測(cè)周期;腫瘤類器官構(gòu)建的成功率;模擬腫瘤微環(huán)境;培養(yǎng)基的優(yōu)化;用于測(cè)試的藥物濃度的確定;類器官藥敏敏感性測(cè)試的質(zhì)量控制;驗(yàn)證以及確認(rèn)藥敏結(jié)果與臨床結(jié)果的相關(guān)性;監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn);時(shí)間和成本的考慮等。

圖4為類器官模型的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向
03、編者點(diǎn)評(píng)
該專家共識(shí)是患者來(lái)源類器官(Patient-derived organoids, PDOs)在藥物研發(fā)與精準(zhǔn)醫(yī)療中應(yīng)用相關(guān)的首篇英文專家共識(shí),重新定義了PDOs藥物敏感性檢測(cè)(Drug sensitivity testing, DST)概念,提出了PDOs-DST在腫瘤精準(zhǔn)醫(yī)療和藥物研發(fā)領(lǐng)域的8點(diǎn)專家共識(shí),并肯定了類器官在臨床前藥物研發(fā)和臨床精準(zhǔn)醫(yī)療中的應(yīng)用可行性,首次明確規(guī)范了PDOs在藥物研發(fā)與精準(zhǔn)醫(yī)療兩個(gè)領(lǐng)域的具體應(yīng)用場(chǎng)景與條件,展望了未來(lái)在嚴(yán)格的監(jiān)管制度下類器官技術(shù)的巨大潛力,為將來(lái)類器官臨床應(yīng)用指南的制定提供重要的理論支持。
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