各腫瘤研究模型的優(yōu)缺點(diǎn)和腫瘤類器官在藥物篩選中的應(yīng)用

近幾十年，我們對癌癥發(fā)生的認(rèn)知有了很大地提升。盡管在某些癌癥的治療中取得了重大進(jìn)展，但它仍然是一個主要的全球健康問題。從實(shí)驗(yàn)室到臨床的轉(zhuǎn)化是開發(fā)新的癌癥治療方案的主要障礙之一。盡管在基于傳統(tǒng)臨床前模型 (包括細(xì)胞培養(yǎng)、細(xì)胞系或患者來源的異種移植模型、小鼠或非小鼠動物模型) 的靶點(diǎn)驗(yàn)證和藥物優(yōu)化方面做了大量的工作，但因?yàn)樵S多大多腫瘤模型不能很好的 “復(fù)刻” 患者腫瘤，繼而許多在癌癥模型中表現(xiàn)良好的藥物最終在臨床試驗(yàn)中失敗。
近年來，3D 類器官技術(shù)如熱浪席卷科研界，腫瘤研究方向的科研者們也紛紛把目光投向了腫瘤類器官，那么被譽(yù)為 “試藥替身” 的腫瘤類器官的出現(xiàn)能否打破了這一 “僵局” 呢？    
燙知識：腫瘤類器官是來源于患者特異性組織樣本的自組織組裝 3D 腫瘤細(xì)胞，它模擬了母體腫瘤的關(guān)鍵組織病理學(xué)、遺傳和表型特征。
 
癌癥作為一種異質(zhì)性疾病，是一種包括不同細(xì)胞類型的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)。除腫瘤細(xì)胞外，腫瘤還包括與腫瘤相關(guān)的基質(zhì)細(xì)胞、微環(huán)境中的生長因子和代謝物，它們對腫瘤細(xì)胞的生長、侵襲能力和藥物反應(yīng)具有深遠(yuǎn)的影響。每個患者的腫瘤都呈現(xiàn)出一系列獨(dú)特的細(xì)胞和環(huán)境特征，因此腫瘤內(nèi)部和腫瘤之間具有巨大生物異質(zhì)性。
直接來源于人類腫瘤組織的類器官模型已經(jīng)被證明可以準(zhǔn)確地再現(xiàn)腫瘤內(nèi)和腫瘤間的生物學(xué)異質(zhì)性。具體來說，腫瘤類器官可以再現(xiàn)不同腫瘤細(xì)胞亞克隆的極度表觀遺傳/遺傳和表型多樣性，以及它們的共同的腫瘤特異性形態(tài)學(xué)特征。因此，癌癥類器官在臨床中模擬患者對抗癌治療的特異性反應(yīng)中表現(xiàn)出巨大潛力。
“一刀切” 護(hù)理標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng) Out 了，精準(zhǔn)醫(yī)療的興起意味著腫瘤異質(zhì)性成為癌癥治療方向的重中之重。

 

 

圖 1. 腫瘤類器官概括了患者特異性腫瘤異質(zhì)性的典型特征^[1]

 

 

 

 

圖 2. 2D 細(xì)胞模型、PDXs、患者來源的腫瘤類器官 (PDOs) 的比較^[2]

 

2D 細(xì)胞：因易于增殖、維護(hù)成本低、易于進(jìn)行功能測試而被廣泛使用。但從根本上說，它們不能準(zhǔn)確的代表體內(nèi)腫瘤。其主要限制在于無法準(zhǔn)確復(fù)制體內(nèi)癌細(xì)胞的表型和遺傳學(xué)特征。更重要的是，它們無法準(zhǔn)確概括癌癥的復(fù)雜性和動態(tài)性，尤其是耐藥機(jī)制 (這仍然是癌癥患者治愈的主要限制因素)。

 

患者來源的異種移植 (PDXs)：能夠概括人類腫瘤的生物學(xué)特征，但使用起來耗時且昂貴，此外，PDX 還表現(xiàn)出小鼠特異性腫瘤進(jìn)化的能力，并且引發(fā)了關(guān)于使用動物模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的各種倫理問題。PDX 不適合高通量藥物篩選 (HTS)，主要用于實(shí)驗(yàn)室研究。

 

腫瘤類器官：與 PDX 相比，腫瘤類器官成本更低、并具有較高效率，能夠模擬正常組織及不同階段的癌變過程的組織，既反映了真實(shí)世界患者癌癥的生理特征，又能應(yīng)用高通量藥物篩選。此外，體外基因修飾比體內(nèi)更容易: 例如通過 CRISPR/Cas9 技術(shù)對腫瘤抑制因子 Trp53 和 Stag2 進(jìn)行基因敲除的基因操作類器官。

 

類器官與腫瘤微環(huán)境：最初，腫瘤類器官因無法再現(xiàn) TME 使腫瘤類器官被打上“不完美”標(biāo)簽，但隨著類器官技術(shù)的發(fā)展，腫瘤類器官再度升級：將類器官植入高度血管化的組織或者通過基因編輯或結(jié)合混合細(xì)胞共培養(yǎng) (使用微流體平臺) 來實(shí)現(xiàn)腫瘤血管化建模。通過腫瘤類器官細(xì)胞和免疫細(xì)胞的共培養(yǎng)實(shí)現(xiàn)腫瘤-免疫相互作用的建模，可以更好地模擬腫瘤中的免疫系統(tǒng)功能。

 

已經(jīng)有很多不同癌癥患者來源的樣本建立的類器官模型，如結(jié)腸、食管、胃、大腦、前列腺、胰腺、肝臟、乳腺癌等類器官。

 

 

 

圖 3. PDOs 建立的主要步驟和主要應(yīng)用^[1]

(A) 包含癌細(xì)胞、成體干細(xì)胞、多能干細(xì)胞或腫瘤干細(xì)胞的人類癌癥組織，首先通過機(jī)械和化學(xué)方法分解成非常小的碎片、細(xì)胞簇或單細(xì)胞，并在適當(dāng)?shù)?3D 條件下在具有 ECM 成分的水凝膠中培養(yǎng)。(B) 腫瘤類器官能模仿原發(fā)組織組織病理學(xué)特征、遺傳圖譜、突變情況，甚至對治療的反應(yīng)，并且可以建立腫瘤類器官生物庫。

 

PDOs 可用于研究耐藥性、代謝、分化和癌癥基因功能，近年來，多種不同組織的 PDOs 模型已經(jīng)被用于藥物發(fā)現(xiàn)探索候選治療藥物的細(xì)胞毒性和實(shí)現(xiàn)個性化的癌癥治療，Zilong Zhou 等人總結(jié)類器官培養(yǎng)平臺在藥物篩選中的應(yīng)用，見表 1。

 

 

 

 

此外，類器官用于癌癥藥篩的臨床相關(guān)性和預(yù)測有效性在多篇研究中都已經(jīng)得到了較為充分的證實(shí)，并且基于 PDOs 模型的臨床試驗(yàn)集中在發(fā)病率和死亡率較高的腫瘤，如結(jié)直腸癌、肺癌、膠質(zhì)瘤、乳腺癌、肝癌和胰腺癌。Vlachogiannis G 團(tuán)隊在 Science 發(fā)表了 PDOs 模型對轉(zhuǎn)移性胃腸癌的藥敏測試結(jié)果，他們從 71 例晚期結(jié)直腸癌患者中提取出癌細(xì)胞樣本建立 PDOs，測試了 55 種抗癌藥物，研究結(jié)果顯示，這些 PDOs 在預(yù)測患者對靶向藥物或化療的反應(yīng)方面達(dá)到 100% 的敏感性，93% 的特異性，88% 的陽性預(yù)測率和 100% 的陰性預(yù)測率，展現(xiàn)了極高的臨床相關(guān)性。

 

 

 

類器官培養(yǎng)基中需要一些生長因子和抑制劑，培養(yǎng)基中生長因子和抑制劑的不同組合有助于在類器官中產(chǎn)生不同的成分譜系。

 

 

表 2. 常見腫瘤類器官培養(yǎng)系統(tǒng)

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參考文獻(xiàn)

 

1. Hanxiao Xu,Dechao Jiao,Aiguo Liu,Kongming Wu. Tumor organoids: applications in cancer modeling and potentials in precision medicine. J Hematol Oncol. 2022; 15, 58.

7. Georgios Vlachogiannis, Nicola Valeri, et al. Patient-derived organoids model treatment response of metastatic gastrointestinal cancers. Science. 2018 Feb 23;359(6378):920-926.