用于癌癥研究的新興類器官-免疫共培養(yǎng)模型：從腫瘤免疫學到免疫療法

作為過去十年中最重要的發(fā)明之一，免疫檢查點抑制劑（ICI）療法徹底改變了癌癥治療模式。到目前為止，一些免疫治療靶點在治療具有免疫原性特征的腫瘤方面顯示出有希望的結(jié)果。免疫治療耐藥性可由多種機制誘發(fā)，其中包括新生血管形成、代謝變化、抗原呈遞不足和不可逆的 T 細胞耗竭。腫瘤的異質(zhì)性和治療耐藥性也進一步干擾了新免疫療法的早期開發(fā)，此外，腫瘤內(nèi)和腫瘤間的異質(zhì)性以及患者之間不同的免疫反應(yīng)譜使這些療法的開發(fā)復雜化。考慮到所描述的問題和并發(fā)癥，通過開發(fā)個性化療法來考慮患者之間的腫瘤異質(zhì)性，可能會在及時干預(yù)和成本效益方面使這些患者受益匪淺。
 

在藥物開發(fā)的早期階段，為了確定藥物篩選過程中的治療效率，傳統(tǒng)上使用二維（2D）細胞系。雖然這些培養(yǎng)物價格便宜且易于維護，但它們既無法模擬體內(nèi)腫瘤的空間結(jié)構(gòu)與異質(zhì)性，也無法反映腫瘤細胞之間及腫瘤微環(huán)境間的相互作用。在過去的十年中，患者來源的三維（3D）類器官培養(yǎng)物已經(jīng)被開發(fā)出來，由腫瘤活檢中分離的上皮腫瘤細胞生長的復雜的多細胞結(jié)構(gòu)組成，通常生長在細胞外基質(zhì)中，如Matrigel。由于類器官仍然缺乏自體免疫成分，這對于確定患者特異性免疫治療反應(yīng)是必要的。因此，目前正在開發(fā)共培養(yǎng)類器官和自體免疫成分的新策略。事實上，這些策略可能有利于高通量預(yù)測患者特異性免疫治療反應(yīng)。此外，共培養(yǎng)可能進一步為TME中的細胞相互作用提供關(guān)鍵見解，揭示新的治療靶點，并有助于疫苗開發(fā)的生物標志物和新抗原發(fā)現(xiàn)。
 

今年，在荷蘭鹿特丹伊拉斯姆斯醫(yī)學中心胃腸病學和肝病學實驗室的一篇綜述中，概述了患者特異性腫瘤類器官-免疫共培養(yǎng)模型的發(fā)展，以研究腫瘤特異性免疫相互作用及其可能的治療機制，還討論了這些模型在提高個性化治療效果和理解腫瘤微環(huán)境方面的應(yīng)用�？傮w而言，這些腫瘤-免疫共培養(yǎng)物可能在開發(fā)患者特異性治療方法方面具有廣闊的前景，并增加了我們對腫瘤-免疫相互作用的理解。具體內(nèi)容發(fā)表在 The Journal for ImmunoTherapy of Cancer 期刊題為“Emerging organoid-immune co-culture models for cancer research: from oncoimmunology to personalized immunotherapies”。

無論類器官和免疫細胞是自體的還是同種異體的，最廣泛研究的是所謂的直接共培養(yǎng)，包括在腫瘤免疫浸潤附近生長的類器官（圖1）。通常，類器官和免疫細胞在開始共培養(yǎng)之前首先在它們自己獨特的培養(yǎng)基中培養(yǎng)。對于免疫細胞，使用的典型培養(yǎng)基有：RPMI 1640、DMEM或MEM。類器官是在含有特定生長因子和干細胞因子的培養(yǎng)基中培養(yǎng)的，這些因子是所用類器官亞型所必需的。兩種培養(yǎng)基都含有特定的物質(zhì)，可以使每種特定的細胞類型都能有效地生長。來自不同組織來源類型的類器官對生長因子的類型有不同的需求。因此，目前還沒有針對免疫細胞和類器官的通用擴增培養(yǎng)基。因此，對于每種共培養(yǎng)/疾病環(huán)境，在嘗試共培養(yǎng)之前，應(yīng)進行精確實驗，以發(fā)現(xiàn)免疫細胞不受傷害且類器官仍能夠增殖的最佳培養(yǎng)基。
 

在直接共培養(yǎng)中，細胞間相互作用是最佳的，因此，可以廣泛研究類器官和免疫相互作用，重點是分子機制和整體細胞存活和免疫細胞擴增。此外，在共培養(yǎng)后，可以對細胞進行表型分析，并分析培養(yǎng)基中是否存在與抗腫瘤免疫相關(guān)的免疫成分（如IFNy和TNFa）釋放的促炎細胞因子。相反，類器官和被破壞的免疫細胞釋放的抗炎細胞因子，如IL-10和TGF-B，可能指向類器官誘導的免疫抑制微環(huán)境。影響腫瘤進展或緩解的可溶性免疫因子（如細胞因子）也可以使用間接培養(yǎng)方法進行評估，其中免疫細胞通過物理屏障與腫瘤細胞分離，防止細胞間直接相互作用。
 

圖1 生成患者特異性體外三維TME表征模型�；颊咛禺愋宰泽w腫瘤免疫共培養(yǎng)模型的生成示意圖概述。術(shù)后切除腫瘤組織以分離腫瘤浸潤淋巴細胞（TILs）并生成類器官。此外，可以從患者的血液中分離出自體外周血單個核細胞（PBMCs）。這些腫瘤類器官和免疫細胞在共培養(yǎng)裝置中被進一步用于體外重建TME。這些腫瘤免疫共培養(yǎng)物可以進一步用于各種臨床和轉(zhuǎn)化研究應(yīng)用。

由于ICB治療的臨床療效存在患者間和疾病間的差異，因此迫切需要預(yù)測患者特異性反應(yīng)的新方法，類器官在這方面受到高度關(guān)注（圖2）。對新篩查方法的需求主要是由于缺乏一致和可靠的生物標志物，這使得有效的治療變得復雜。Votanopoulos等人制成了一種由類器官和自體淋巴結(jié)組成的共培養(yǎng)物。PD-1抑制劑pembrolizumab 或nivolumab 的加入導致一些黑色素瘤類器官的細胞活力降低。有趣的是，在85%的病例中，這種類器官反應(yīng)與患者的臨床反應(yīng)相關(guān)。雖然沒有經(jīng)過徹底的測試，但該系統(tǒng)允許篩選在TME外發(fā)揮其功能的檢查點抑制劑，例如靶向引流淋巴結(jié)中的T細胞的CTLA-4抑制劑。此外，靶向一個或多個免疫檢查點或受體的新型創(chuàng)新抗體可以在患者特異性環(huán)境中分析其治療效果。這些藥物也可以從共培養(yǎng)物測試中受益，例如靶向細胞因子策略和靶向腫瘤和免疫細胞受體的雙特異性抗體，最常見的是具有一個分子的 T 細胞。
 

圖2 患者來源的類器官-免疫共培養(yǎng)物的轉(zhuǎn)化和基礎(chǔ)應(yīng)用。臨床前應(yīng)用（左）側(cè)重于（1）了解TME動力學和腫瘤免疫圖景，（2）以患者特異性方式發(fā)現(xiàn)新抗原，用于潛在的癌癥疫苗開發(fā)，（3）篩選現(xiàn)有ICI療法和雙特異性抗體的聯(lián)合療法。精準醫(yī)療應(yīng)用（右）包括：（1）用于過繼細胞轉(zhuǎn)移療法的腫瘤反應(yīng)性淋巴細胞的個性化擴增，（2）針對患者的免疫檢查點療法的高通量篩選，（3）篩選和開發(fā)靶向腫瘤和腫瘤內(nèi)附近免疫細胞的靶向雙特異性抗體。TME，腫瘤微環(huán)境。

目前，正在開發(fā)細胞轉(zhuǎn)移療法，例如識別細胞表面癌抗原的嵌合抗原受體（CAR）淋巴細胞。大多數(shù)有希望的結(jié)果是在血液系統(tǒng)惡性腫瘤中觀察到的，但實體瘤的臨床潛力也可能存在。一項研究使用共培養(yǎng)證明了CAR NK細胞對CRC中TAAs的反應(yīng)，盡管表達水平較低。他們還觀察到一些患者對健康類器官的反應(yīng)，從而可能識別出將忍受嚴重副作用的患者。在與膠質(zhì)母細胞瘤類器官上靶向突變抗原 EGFRvIII+ 的 CAR T 細胞共培養(yǎng)中獲得了類似的結(jié)果。CAR T 細胞能夠以高度特異性的方式快速清除 EGFRvIII 類器官。在膀胱類器官的 CAR T 細胞篩選中也證明了高度特異性的細胞毒性，其中靶向MUC1的T細胞可以特異性地殺死MUC1+ 類器官。這些研究證明了CAR淋巴細胞-類器官共培養(yǎng)在患者特異性治療篩選中的潛力。除了治療測試外，類器官的患者特異性方面還可能被利用來以完全個性化的方式擴增腫瘤反應(yīng)性T細胞，用于細胞轉(zhuǎn)移治療應(yīng)用。該應(yīng)用得到了基因顯示和新/癌抗原表達數(shù)據(jù)的支持，這些數(shù)據(jù)比較了母體腫瘤和離體類器官，顯示出高度相似性。因此，腫瘤反應(yīng)性免疫細胞可能會從靠近類器官培養(yǎng)的TILs或PBMC中生長出來。
 

類器官-免疫共培養(yǎng)有可能加深我們對腫瘤免疫學的理解，并可能為更有效的個性化醫(yī)療鋪平道路。然而，這種方法仍處于早期開發(fā)階段，技術(shù)挑戰(zhàn)仍然限制了臨床前應(yīng)用。最突出的局限性是從腫瘤組織生成類器官的效率相對較低。類器官生成的平均效率為36.8%，覆蓋了13種不同類型的腫瘤，但在前列腺癌中可低至19%。類器官建立數(shù)量少，使其在高通量藥物篩選中的使用變得復雜。因此需要進一步的研究來提高類器官的建立效率。

 

此外，組織可用性和/或尤其是TIL產(chǎn)量，可能會限制共培養(yǎng)設(shè)置。為了規(guī)避這個問題，PBMC可能是一種更有前途且更容易獲得的免疫細胞來源。然而，必須意識到，PBMC 不會模仿 TILs 中的表型和特征，因為它們沒有暴露于局部腫瘤介導的免疫調(diào)節(jié)。雖然共培養(yǎng)裝置可以更好地模擬腫瘤免疫相互作用，特別強調(diào)患者的異質(zhì)性，但它不能完全捕捉腫瘤微環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的機制和相互作用。
 

在現(xiàn)階段，共培養(yǎng)不能完全取代體內(nèi)模型。然而，在組織切片中捕獲或通過脫細胞技術(shù)檢索的天然 ECM 可用作共培養(yǎng)模型的支架，以進一步模擬 TME。ECM在藥物的可及性中也起著重要作用，并且是復雜的TME的一部分。從這種ECM中提取的水凝膠甚至可以實現(xiàn)生物打印，從而允許包括腫瘤細胞和其他在腫瘤進展和轉(zhuǎn)移中發(fā)揮作用的細胞。因此，應(yīng)進行進一步的研究，以驗證這些新型腫瘤模型在臨床環(huán)境中的使用，并根據(jù)患者反應(yīng)數(shù)據(jù)評估它們在篩查目的中的應(yīng)用。

由于對瘤間和瘤內(nèi)異質(zhì)性的認識不斷加深，個性化醫(yī)療變得越來越重要。這種復雜性在免疫治療策略通常只對一小部分患者有效。腫瘤-免疫共培養(yǎng)可用于提高我們對腫瘤-免疫相互作用的理解，更值得注意的是，作為在免疫治療前評估患者特異性反應(yīng)的工具。進一步的應(yīng)用需要患者特異性轉(zhuǎn)移擴增的腫瘤反應(yīng)性淋巴細胞和用于疫苗開發(fā)的新抗原發(fā)現(xiàn)。

參考文獻：Magré L, Verstegen MMA, Buschow S, van der Laan LJW, Peppelenbosch M, Desai J. Emerging organoid-immune co-culture models for cancer research: from oncoimmunology to personalized immunotherapies. J Immunother Cancer. 2023 May;11(5):e006290. doi: 10.1136/jitc-2022-006290. PMID: 37220953; PMCID: PMC10231025.

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37220953/

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