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腫瘤類器官：為患者“替身”試藥，助力精準(zhǔn)醫(yī)療

2024-06-13 點(diǎn)擊量：1163

類器官 VS 組織樣本 VS 動(dòng)物模型

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對于腫瘤患者而言，

眼花繚亂的抗癌藥該怎樣選擇？

明明一樣的腫瘤，

為什么有的患者可以用這類藥，

有的患者卻不行？

類器官腫瘤藥篩模型似乎給患者帶來了希望。科學(xué)家們可以在實(shí)驗(yàn)室培育出源自人類腫瘤的類器官，用于測試癌癥藥物，從而預(yù)測患者對藥物的反應(yīng)。類器官技術(shù)可在疾病的各個(gè)階段，快速檢測出最適合患者的藥物治療方案，降低藥物毒副作用、耐藥風(fēng)險(xiǎn)和腫瘤復(fù)發(fā)幾率，在避免“走彎路”的同時(shí)減輕患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

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類器官概念

類器官（Organoids）指利用成體干細(xì)胞或多能干細(xì)胞進(jìn)行體外三維（3D）培養(yǎng)而形成的具有一定空間結(jié)構(gòu)的組織類似物。盡管類器官并不是真正意義上的人體器官，但能在結(jié)構(gòu)和功能上模擬真實(shí)器官，能夠最大程度地模擬體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)及功能并能夠長期穩(wěn)定傳代培養(yǎng)（因此也被稱為“微型器官”）。

早在2009 年，Hans Clevers 實(shí)驗(yàn)室使用單個(gè)LGR5 +腸干細(xì)胞在體外自組織成具有腸隱窩 - 絨毛結(jié)構(gòu)的腸類器官，這是首個(gè)體外自組織的微型器官。也因此，Hans Clevers 被譽(yù)為 “國際類器官鼻祖”。

圖片來源：Hans Clevers, Nature, 2009

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類器官藥篩模型

腫瘤類器官能夠在體外高度模擬病人原位腫瘤，這就可以在短時(shí)間內(nèi)高效開展藥敏檢測，模擬患者對藥物的反應(yīng)，這相當(dāng)于在藥物進(jìn)入人體前，可以先在與人體內(nèi)相似的類器官上進(jìn)行提前試藥，以找到對該患者的最佳治療方案。因此，類器官被形象地稱為患者的 “替身”。

一個(gè)關(guān)鍵問題，為什么不繼續(xù)使用現(xiàn)有2D細(xì)胞模型或PDX藥篩模型？

因?yàn)?D細(xì)胞模型雖然可以在體外進(jìn)行擴(kuò)增，但是與人體差異較大，且傳代后的細(xì)胞會(huì)喪失腫瘤異質(zhì)性。而用人源化小鼠模型（PDX）進(jìn)行藥物的篩選成功率較低，測試周期也較長（通常需要6~8個(gè)月才能出結(jié)果），且不具備高通量使用的優(yōu)勢。腫瘤類器官作為新型藥篩模型具有速度快、通量高、臨床相關(guān)性強(qiáng)的特點(diǎn)。2018年《Science》雜志報(bào)道了首個(gè)腸癌類器官藥敏臨床療效觀察試驗(yàn)，并獲得了88%的陽性預(yù)測值和100%的陰性預(yù)測值的結(jié)果，展現(xiàn)了極強(qiáng)的臨床相關(guān)性。

腫瘤臨床藥篩模型必須能滿足三大要求包括：需要在短時(shí)間內(nèi)出具藥敏檢測結(jié)果、藥物篩查通量高、預(yù)測效果準(zhǔn)確。而類器官都顯現(xiàn)出了強(qiáng)勁優(yōu)勢。

速度快：類器官構(gòu)建成功率高，培養(yǎng)速度快。常規(guī)來說，在類器官培養(yǎng)一周之后就可以進(jìn)行藥篩。從樣本采集到出具藥敏結(jié)果的全流程已經(jīng)可以很好地控制在2周之內(nèi)。
通量高：利用類器官不僅可以在孔板上進(jìn)行多種藥物的篩查，每個(gè)藥物還可以測試不同的濃度，多個(gè)實(shí)驗(yàn)平行開展。
臨床相關(guān)性強(qiáng)：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)。Vlachogiannis G團(tuán)隊(duì)在Science發(fā)表了腫瘤類器官體外藥敏測試指導(dǎo)臨床用藥的里程碑式研究，在71位轉(zhuǎn)移性胃腸道癌提取了110份組織構(gòu)建了類器官，共測試了55種抗癌藥物。研究結(jié)果顯示，類器官藥篩達(dá)到了93%的特異性，100%的靈敏度、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。

表1.藥篩模型對比（奇跡之光整理）

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腫瘤類器官藥敏檢測流程

腫瘤類器官進(jìn)行藥篩的流程，包括類器官的構(gòu)建、評估、藥敏檢測三大方面。

▉ 類器官的構(gòu)建：

樣本來源通常為腫瘤組織或者胸腹水等惡心積液，樣本經(jīng)消化或離心、過濾后分離出腫瘤細(xì)胞，然后選擇合適的生物材料或者基質(zhì)膠作為3D培養(yǎng)的細(xì)胞外基質(zhì)，通過模擬腫瘤細(xì)胞基質(zhì)環(huán)境進(jìn)行培養(yǎng)。最后形成體外類器官模型。

類器官培養(yǎng)特有的重要試劑包括消化液、培養(yǎng)基、基質(zhì)膠等，這些試劑在不同的實(shí)驗(yàn)室及培養(yǎng)不同的腫瘤類器官之間的差異較大。

培養(yǎng)過程中添加的生長因子組合需要進(jìn)行仔細(xì)考量，否則失之毫厘，謬以千里。

杭州市腫瘤醫(yī)院腫瘤研究所經(jīng)過多年的條件探索與優(yōu)化已成功建立肺癌、乳腺癌、肝癌等類器官。相關(guān)研究成果已成功申請到題為“腫瘤類器官培養(yǎng)試劑盒與高精度類器官顯微成像儀研發(fā)”的杭州市科技重點(diǎn)項(xiàng)目。

顯微鏡下的肺癌和乳腺癌類器官

▉ 類器官的評估：

主要目的是確定類器官和原腫瘤的一致性。本院腫瘤研究所與病理科合作，運(yùn)用組織病理學(xué)染色和基因測序的方法對培養(yǎng)的類器官與原代腫瘤標(biāo)本進(jìn)行對比，顯示構(gòu)建的類器官依然保留著原腫瘤的特性。

組織病理學(xué)染色（左）和基因測序（右）

▉ 類器官的藥敏檢測：

類器官目前可篩選的藥物種類包括化療藥、小分子靶向藥、抗體藥物等。通過檢測藥物的IC50和細(xì)胞抑制率，來預(yù)測對腫瘤抑制效果最好的藥物或藥物組合。

目前，該團(tuán)隊(duì)已在中國臨床試驗(yàn)注冊中心注冊“基于類器官技術(shù)的腫瘤患者個(gè)體化治療研究”的觀察性研究項(xiàng)目，該臨床項(xiàng)目的研究過程中發(fā)現(xiàn)多個(gè)病例的藥物敏感性結(jié)果與臨床療效一致。

今后，還將構(gòu)建出多種腫瘤的生物信息庫平臺(tái)，并利用類器官模型庫進(jìn)行大規(guī)模藥物候選分子的敏感性檢測，建立藥效學(xué)和臨床用藥信息數(shù)據(jù)庫，這將加速癌癥患者精準(zhǔn)化、個(gè)體化治療的進(jìn)程。

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類器官臨床應(yīng)用的困境

目前，大多數(shù)類器官本身不具備血管化結(jié)構(gòu)和免疫環(huán)境，因此無法預(yù)測抗血管生成類和免疫類藥物。且目前的類器官僅能檢測出藥物對于腫瘤的抑制效果，對于其他器官是否存在副作用和安全性風(fēng)險(xiǎn)并不能做出預(yù)判。

類器官臨床應(yīng)用的困境：

血管化。目前大多類器官本身并不具備血管化的結(jié)構(gòu)。因此，隨著類器官體積的增長，類器官受限于氧氣的缺失以及代謝廢物的增加，可能導(dǎo)致的組織壞死。已有研究構(gòu)建血管內(nèi)皮細(xì)胞微環(huán)境的腫瘤類器官，將類器官腫瘤細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞在Matrigel上共同培養(yǎng)，生成血管結(jié)構(gòu)以期解決類器官血管化缺失的問題。
免疫化。血管化以外的難點(diǎn)還包括模擬腫瘤和免疫環(huán)境的相互作用關(guān)系。2019年Nature Protocol發(fā)表了腫瘤類器官和免疫細(xì)胞共同培養(yǎng)的相關(guān)protocol，可以體現(xiàn)和模擬出腫瘤微環(huán)境的部分特征。以上皮類器官和免疫細(xì)胞共培養(yǎng)模型為例，可通過在培養(yǎng)基中添加活化的免疫細(xì)胞、在組織消化成單細(xì)胞后和免疫細(xì)胞共同生長、添加ECM中的重組細(xì)胞因子等方法重塑類器官和免疫細(xì)胞的相互作用。
系統(tǒng)化。相比于單個(gè)類器官，類器官系統(tǒng)的構(gòu)建能夠?qū)λ幬锆熜Ш蜐撛诙拘宰龀龈暾娴脑u估。目前類器官僅能檢測出藥物對于腫瘤的抑制效果，對于其他器官組織是否存在其他副作用和安全性風(fēng)險(xiǎn)并不能做出預(yù)判。

為了解決這些問題，科學(xué)家們一直在努力，血管化、具有免疫微環(huán)境的類器官的研究從未停止。有朝一日，如果這些特征都能在周期可控的情況下實(shí)現(xiàn)，類器官藥篩將能提供范圍更廣、更加準(zhǔn)確的答案。

-05-

文末小結(jié)

類器官技術(shù)，可以在2周的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行腫瘤藥物篩選，為患者提供準(zhǔn)確可靠的用藥指導(dǎo)建議。在時(shí)效性、可篩藥物通量、臨床相關(guān)性等參數(shù)方面明顯優(yōu)于其他藥物模型。

目前，類器官技術(shù)在臨床產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚且處于小荷才露尖尖角的狀態(tài)，國內(nèi)外真正具備培養(yǎng)和鑒定類器官及開發(fā)類器官藥篩的公司數(shù)量并不多，產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)還需要解決成本、標(biāo)準(zhǔn)化等限制性因素。隨著行業(yè)規(guī)范的完善和更多臨床數(shù)據(jù)的積累，類器官藥篩應(yīng)用在臨床上的廣泛開展未來可期。

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