腫瘤研究模型的分類介紹和腫瘤類器官的優勢與應用
近年來，3D 類器官技術如熱浪席卷科研界，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，那么被譽為 “試藥替身” 的腫瘤類器官的出現能否打破了這一 “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 腫瘤細胞，它模擬了母體腫瘤的關鍵組織病理學、遺傳和表型特征。
癌癥作為一種異質性疾病，是一種包括不同細胞類型的復雜生態系統。除腫瘤細胞外，腫瘤還包括與腫瘤相關的基質細胞、微環境中的生長因子和代謝物，它們對腫瘤細胞的生長、侵襲能力和藥物反應具有深遠的影響。每個患者的腫瘤都呈現出一系列獨特的細胞和環境特征，因此腫瘤內部和腫瘤之間具有巨大生物異質性。
直接來源于人類腫瘤組織的類器官模型已經被證明可以準確地再現腫瘤內和腫瘤間的生物學異質性。具體來說，腫瘤類器官可以再現不同腫瘤細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學特征。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中表現出巨大潛力。
“一刀切” 護理標準已經 Out 了，精準醫療的興起意味著腫瘤異質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性的典型特征[1]
患者來源的腫瘤類器官 (PDOs) 能夠彌補 2D 細胞和小鼠異體移植癌癥模型 (PDX) 的缺點，為優化臨床前藥物發現提供了很大的希望。
圖 2. 2D 細胞模型、PDXs、患者來源的腫瘤類器官 (PDOs) 的比較[2]
2D 細胞：因易于增殖、維護成本低、易于進行功能測試而被廣泛使用。但從根本上說，它們不能準確的代表體內腫瘤。其主要限制在于無法準確復制體內癌細胞的表型和遺傳學特征。更重要的是，它們無法準確概括癌癥的復雜性和動態性，尤其是耐藥機制 (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特征，但使用起來耗時且昂貴，此外，PDX 還表現出小鼠特異性腫瘤進化的能力，并且引發了關于使用動物模型進行實驗的各種倫理問題。PDX 不適合高通量藥物篩選 (HTS)，主要用于實驗室研究。
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，既反映了真實世界患者癌癥的生理特征，又能應用高通量藥物篩選。此外，體外基因修飾比體內更容易: 例如通過 CRISPR/Cas9 技術對腫瘤抑制因子 Trp53 和 Stag2 進行基因敲除的基因操作類器官。
類器官與腫瘤微環境：最初，腫瘤類器官因無法再現 TME 使腫瘤類器官被打上“不完美”標簽，但隨著類器官技術的發展，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合混合細胞共培養 (使用微流體平臺) 來實現腫瘤血管化建模。通過腫瘤類器官細胞和免疫細胞的共培養實現腫瘤-免疫相互作用的建模，可以更好地模擬腫瘤中的免疫系統功能。
已經有很多不同癌癥患者來源的樣本建立的類器官模型，如結腸、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用[1]
(A) 包含癌細胞、成體干細胞、多能干細胞或腫瘤干細胞的人類癌癥組織，首先通過機械和化學方法分解成非常小的碎片、細胞簇或單細胞，并在適當的 3D 條件下在具有 ECM 成分的水凝膠中培養。(B) 腫瘤類器官能模仿原發組織組織病理學特征、遺傳圖譜、突變情況，甚至對治療的反應，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 模型已經被用于藥物發現探索候選治療藥物的細胞毒性和實現個性化的癌癥治療，Zilong Zhou 等人總結類器官培養平臺在藥物篩選中的應用，見表 1。
此外，類器官用于癌癥藥篩的臨床相關性和預測有效性在多篇研究中都已經得到了較為充分的證實，并且基于 PDOs 模型的臨床試驗集中在發病率和死亡率較高的腫瘤，如結直腸癌、肺癌、膠質瘤、乳腺癌、肝癌和胰腺癌。Vlachogiannis G 團隊在 Science 發表了 PDOs 模型對轉移性胃腸癌的藥敏測試結果，他們從 71 例晚期結直腸癌患者中提取出癌細胞樣本建立 PDOs，測試了 55 種抗癌藥物，研究結果顯示，這些 PDOs 在預測患者對靶向藥物或化療的反應方面達到 100% 的敏感性，93% 的特異性，88% 的陽性預測率和 100% 的陰性預測率，展現了極高的臨床相關性。
類器官培養基中需要一些生長因子和抑制劑，培養基中生長因子和抑制劑的不同組合有助于在類器官中產生不同的成分譜系。
表 2. 常見腫瘤類器官培養系統
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細胞因子 |
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上皮組織生長因子；EGF 與 EGF 受體結合，誘導增生性變化。 胃腸道、肝臟、甲狀腺、腦等類器官培養所需因子。 |
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FGFs 在早期發育中對中胚層誘導、肢體發育、神經誘導和神經發育有重要作用。在成熟組織中，FGFs 對血管生成、角質形成細胞組織和傷口愈合過程至關重要。 例如 FGF-basic (FGF-2)、FGF-10 是常見的類器官培養 Niche 因子，如肝臟類器官、前列腺類器官。 |
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HGF/Met 信號通路促進腫瘤的生長、侵襲和遷移。 HGF 可充當肝細胞的有絲分裂原，用于肝類器官培養。 |
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Wnt 參與調節細胞發育、增殖、分化、粘附、極性、細胞-細胞通信、生存和自我更新功能。 Wnt3a 在類器官的擴展能力中起著重要的作用，是最常用培養因子之一。 |
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BMP 在胚胎發生、發育和維持組織穩態中起著至關重要的作用。 體外實驗中，BMP-2 和 BMP-4 被廣泛應用于誘導多能干細胞 (iPSC) 和胚胎干細胞 (ESC) 產生肝細胞。 |
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骨形態發生蛋白的內源性抑制劑，調節細胞分化、增殖和凋亡。 Noggin 是最基礎的類器官培養因子之一。 |
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DKK-1 是典型的 Wnt 抑制劑，可誘導視網膜前體自組織。 |
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小分子抑制劑 |
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Rho 激酶抑制劑；常用于類器官構建。 |
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ALK4/5/7 抑制劑；抑制類器官的增殖。 |
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參考文獻
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