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国自然黑马“类器官”凭啥这么“火”？这篇23分的综述汇总全了！（附各肿瘤类器官构建的经典文献）

花匠小妙招
2024-11-10 14:37

这几年有什么研究领域可以称之为“黑马”？那绝对是「类器官」！

作为一种新的疾病模型，类器官具有“遗传信息保真性、组织结构相似性、可模拟人体药物治疗反应”等多种先天优势，一跃成为近年来国自然申请及高分文章发表的“蓝海领域”。

那么，「类器官」领域当下研究的主流方向，以及可供探究的“蓝海”领域都有哪些呢？（附每种肿瘤类器官构建的经典文献，建议收藏）

今天，梅斯学术以最近的一篇高分综述“Tumor organoids: applications in cancer modeling and potentials in precision medicine”对此进行解读。

一、摘要

异质性是癌症最为突出的特点，与其转移、复发和治疗耐药息息相关，故而针对癌症进行个体化治疗极其关键，这也是为什么“寻找具有个体化特征的肿瘤模型”成为关键问题。基于干细胞培养技术的发展，体外三维培养的类器官技术逐渐问世，这种体外模型可以更准确地概括原发性肿瘤的结构、特定功能、分子特征、基因组改变、表达谱和肿瘤微环境，在潜在治疗靶点研发、新药开发等方面具有极大的潜力。

本篇综述总结了肿瘤类器官培养的最新进展。此外，还描述了基于类器官技术的血管化和免疫微环境建模的改进技术，并对肿瘤类器官在预测治疗反应、研究耐药相关机制、优化治疗策略方面做出了总结。

二、背景

事实上，癌症相关研究开展起来非常困难，总是受到诸多限制。无论是体外培养还是异种移植，癌细胞都无法准确概括癌症的复杂性，这是因为缺乏肿瘤起始细胞以及人类特异性肿瘤微环境（TME）、细胞外基质（ECM）、长期维持和体外传代导致的遗传变异。而患者来源的异种移植（PDX）模型，由于其样本可及性、物流和经济问题以及伦理问题，也限制了其在基础研究和个性化医疗中的广泛应用。

与上述模型不同，类器官是源自人类干细胞、器官特异性祖细胞、分离肿瘤组织的体外三维培养的微组织，成功率相对较高。由于类肿瘤在结构和功能上都很好地模仿原代组织，并保留了组织病理学特征、遗传特征、突变景观，甚至对治疗的反应（图1A），类器官逐渐成为体外研究肿瘤发生和癌症进展的优良工具，并在转化研究中显示出巨大的潜力。

与PDX模型相比，类器官建立所需的时间和组织更少，即使在长期传代后，类器官仍能稳定地保持原发肿瘤的关键特征。此外，基于类器官模型进行基因修饰比体内模型容易得多，例如，通过CRISPR/Cas9技术对肿瘤抑制因子Trp53和Stag2进行基因敲除的基因操纵类器官。

患者来源类器官（PDO）构建过程主要包括两个步骤：（1）含有多能干细胞（PSC）、成体干细胞或癌症干细胞的人类肿瘤组织偶尔首先使用机械和化学方法将肿瘤组织解离成非常小的片段、细胞簇或单细胞；（2）然后在适当的培养条件下在具有ECM组分的水凝胶中培养（图1B）。

图1. 类器官的主要作用和构建过程

三、不同肿瘤类器官的构建之文献合集

肿瘤类器官构建的流程大同小异，但是不同肿瘤的类器官培养体系之间有着巨大差异。那么，我们在构建时需要如何配制培养基呢？如下表所示，不同的肿瘤类型所需要的细胞因子都是不一样的，需要按种类、比例精确配制（表1）。

表1. 不同肿瘤类器官的培养基成分

同时，小编还整理了不同肿瘤类器官构建的经典原始文献，方便大家对其构建过程进一步了解（强烈建议大家收藏！！！）

（1）肺癌类器官：Kim M, Mun H, SungCO, Cho EJ, Jeon HJ, Chun SM, et al. Patient-derived lung cancer organoids asin vitro cancer models for therapeutic screening. Nat Commun. 2019;10:3991.

（2）非小细胞肺癌：Shi R, Radulovich N,Ng C, Liu N, Notsuda H, Cabanero M, et al. Organoid cultures as preclinicalmodels of non-small cell lung cancer. Clin Cancer Res. 2020;26:1162–74.

（3）乳腺癌：Dekkers JF, van Vliet EJ,Sachs N, Rosenbluth JM, Kopper O, Rebel HG, et al. Long-term culture, geneticmanipulation and xenotransplantation of human normal and breast cancerorganoids. Nat Protoc. 2021;16:1936–65.

（4）胃癌：Yan HHN, Siu HC, LawS, Ho SL, Yue SSK, Tsui WY, et al. A comprehensive human gastric cancerorganoid biobank captures tumor subtype heterogeneity and enables therapeuticscreening. Cell Stem Cell. 2018;23(882–97): e11.

（5）肝癌：Nuciforo S, Fofana I,Matter MS, Blumer T, Calabrese D, Boldanova T, et al. Organoid models of humanliver cancers derived from tumor needle biopsies. Cell Rep. 2018;24:1363–76.

（6）胰腺癌：Yan Z, Ohuchida K,Fei S, Zheng B, Guan W, Feng H, et al. Inhibition of ERK1/2 incancer-associated pancreatic stellate cells suppresses cancer-stromalinteraction and metastasis. J Exp Clin Cancer Res. 2019;38:221.

（7）结直肠癌：Yao Y, Xu X, Yang L,Zhu J, Wan J, Shen L, et al. Patient-derived organoids predict chemoradiationresponses of locally advanced rectal cancer. Cell Stem Cell. 2020;26(17–26):e6.

（8）肾癌：Esser LK, Branchi V,Leonardelli S, Pelusi N, Simon AG, Klümper N, et al. Cultivation of clear cellrenal cell carcinoma patient-derived organoids in an air-liquid interfacesystem as a tool for studying individualized therapy. Front Oncol.2020;10:1775.

（9）膀胱癌：Mullenders J, deJongh E, Brousali A, Roosen M, Blom JPA, Begthel H, et al. Mouse and humanurothelial cancer organoids: a tool for bladder cancer research. Proc Natl AcadSci U S A. 2019;116:4567–74.

（10）前列腺癌：Gil V, Miranda S,Riisnaes R, Gurel B, D’Ambrosio M, Vasciaveo A, et al. HER3 is an actionabletarget in advanced prostate cancer. Cancer Res. 2021;81(24):6207–18.

四、未来研究方向

那么，肿瘤类器官领域还有哪些仍未解决但急需解决的问题呢？

（1）肿瘤类器官血管化建模

正常脉管系统包含内皮细胞（EC）、血管平滑肌细胞、周细胞和ECM，血管生成通过提供生长所需的营养物质并作为肿瘤细胞逃逸到其他栖息地的通道，在肿瘤生长和转移中起关键作用。血管内皮生长因子受体（VEGFR）相关靶向药物已被证明是针对多种实体瘤的有效抗肿瘤疗法，为了更好地了解血管生成信号通路并制定有效的治疗策略，构建基于类器官的肿瘤脉管系统模型极其重要。

在构建类器官血管化模型中，将类器官植入高度血管化的组织中是类器官血管化的常用方法（图2），将类器官移植到富含脉管系统的动物组织中后，宿主脉管系统浸润类器官并将宿主动物模型连接到移植的类器官模型，另一种方法是通过基因编辑或使用微流体平台组合混合内皮细胞及类器官实现共培养（图2）。

图2. 类器官血管化的策略

（2）肿瘤-免疫相互作用建模

癌症免疫治疗已经彻底改变了肿瘤治疗的格局，在影响肿瘤免疫治疗的因素中，肿瘤免疫微环境可影响肿瘤生长和进展以及癌症对免疫治疗的反应，因此通过共培养实现类器官与免疫细胞及微环境中其他细胞的共培养至关重要。

目前，有两种方法用于类器官和免疫细胞的共培养，包括维持和扩增类肿瘤中的天然免疫细胞，以及在类器官培养中添加免疫细胞（图3）。

然而，强大的抗癌免疫反应需要肿瘤组织浸润的先天免疫细胞与获得性免疫细胞（如中性粒细胞、MDSC、巨噬细胞、NK细胞、DC 和T细胞）之间的相互作用。此外，气液界面（ALI）保留了内源性基质和免疫成分，在ALI培养系统中，类器官被封装在胶原凝胶中，一侧暴露在空气中，另一侧与液体培养基接触。基于ALI培养方法，结直肠癌类器官保留天然CD45+免疫细胞超过10天。

图3. 类器官免疫细胞共培养策略

五、目前研究方向

作为肿瘤研究最有潜力的研究模型，目前肿瘤研究中，类器官都应用于那些方向呢？

（1）探索肿瘤耐药机制

如上所述，类肿瘤可保留原发性亲本肿瘤的关键特征，这有利于研究治疗耐药机制。例如，KRAS野生型CRC类器官在体外模拟时再现了对伊立替康和EGFR抑制组合的逐渐化疗耐受的能力，在对奥沙利铂耐药的胃癌类器官中，肌弗林的存在与奥沙利铂耐药的获得密切相关。另一项研究发现，非典型细胞周期蛋白P表达可促进肠癌类器官的干性样表型，进而导致肿瘤复发、转移和治疗耐药。

（2）新型肿瘤生物标志物的鉴定

类器官在发现新的肿瘤生物标志物方面也具有巨大的潜力，Ukai S及其同事开发并收获了抗5-FU的胃癌类器官，微阵列分析显示，含KH结构域、RNA结合和信号转导相关3是胃癌患者的独立预后因素，尤其是5-FU治疗人群。另一项研究发现使用胰腺癌PDX衍生的类器官鉴定细胞外囊泡有希望且具有临床意义的生物标志物的可行性，用于使用少量培养基上清液检测和诊断肿瘤。本研究从1465种已鉴定的蛋白质中筛选了241种蛋白质，重点关注5种标记物（分化簇44（CD44），glypican 4，UGLUT2，CD14和膜联蛋白A11），并确定膜联蛋白A11，CD44变体6和glypican 4作为潜在的候选生物标志物。

（3）个体化治疗

3.1 预测药物反应：类器官、PDX和患者相应原发性肿瘤之间的药物反应具有较高的一致性，这表明类器官是预测对治疗药物反应的有前途的工具。例如，从转移性胃肠道癌建立的PDO是预测靶向化疗或新型药物反应的绝佳工具，特异性为93%，敏感性为100%。Seidlitz T的研究证实，胃癌类器官充分概括了化疗的不同反应，包括5-氟尿嘧啶、伊立替康、奥沙利铂、多西他赛和表柔比星，这些药物是胃癌的常规应用药物。

3.2 探索有前景的联合治疗策略：类器官已被证明是探索更好的组合治疗策略的有前途的平台。先前基于类器官的研究发现，由KRAS选择性抑制剂AMG501和EGFR抑制剂西妥昔单抗组成的联合治疗，可有效治疗CRC类器官；FGFR抑制剂BGJ398和丝裂原活化蛋白激酶抑制剂曲美替尼联合治疗FGFR1异常NSCLC类器官；MC3138（一种SIRT5激活剂）和吉西他滨联合治疗SIRT5表达低的PDAC患者。

3.2 发现新的抗癌靶点和有前途的候选药物：类器官还用于对可能的治疗靶点进行研究，并开发新型抗肿瘤药物，例如用于肝转移性直肠癌类器官的SMAC模拟LCL161和用于SCLC类器官系的新型CDK7抑制剂YPN-005；基于患者来源的乳腺癌类器官和肿瘤特异性细胞毒性T细胞相互作用的高通量筛选发现3种表观遗传抑制剂BML-210、GSK-LSD1和CUDC-101具有显著的抗肿瘤作用；基于纤维蛋白凝胶中胶质瘤类器官和人脐静脉内皮细胞的共培养，药物阿托伐他汀剂量依赖性地对血管生成产生显著的抑制作用，下调VEGF、CD31和Bcl-2。

六、局限性及未解决的问题

尽管类器官被誉为“近似器官”，在基础癌症研究和临床应用中显示出巨大的潜力，但目前一些具有挑战性的瓶颈和困难仍有待解决。

（1）类器官的建立、维护和通道成本很高；

（2）目前建立不同癌症类型的成功率差异很大；

（3）应建立不同类瘤菌的优化和标准化培养条件，以提高大规模类瘤的可重复性，促进类器官技术在高通量药物筛选中的应用；

（4）目前ECM组分对类肿瘤应用的影响尚不清楚；

（5）为类器官生成而制备的组织样本只是整个肿瘤的一小部分，从同一肿瘤的不同部位提取组织可能更好地反映肿瘤异质性，并可靠地促进癌症转化研究；

（6）目前的类器官技术无法轻易复制患者特异性免疫环境的复杂性，例如，不同的肿瘤类型具有不同的免疫成分和不同的细胞数量，这会影响类器官培养早期的免疫细胞组成以及维持和扩增这些免疫细胞的选择；

（7）类器官的血管化仍然无法完全模拟肿瘤，脉管系统，将类器官植入动物或共培养系统虽然可促进类器官血管形成，但这些方法仅赋予类器官血管特征，而不能赋予功能性灌注血管。

参考文献：

XuH, Jiao D, Liu A, et al. Tumor organoids: applications in cancer modeling andpotentials in precision medicine. J Hematol Oncol. 2022 May 12;15(1):58. doi:10.1186/s13045-022-01278-4.

撰写：TS