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“癌癥之王”胰腺導(dǎo)管腺癌（PDAC）是一種惡性程度很高的致命性腫瘤，5年生存率普遍不到7%。其治療手段十分有限，自1996年吉西他濱獲得監(jiān)管部門(mén)批準(zhǔn)以來(lái)，沒(méi)有任何批準(zhǔn)的化療藥物實(shí)質(zhì)性地延長(zhǎng)PDAC 患者的生存期。一線(xiàn)化療藥物往往由于內(nèi)在或獲得性耐藥而無(wú)效，因此，研究胰腺癌的化療耐藥機(jī)制對(duì)于提高治療效果具有重要意義。

腫瘤類(lèi)器官（PDOs）為患者特異性腫瘤及其機(jī)制提供了一種有代表性的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。近日，?lái)自斯坦福大學(xué)的研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)闡明了利用胰腺癌類(lèi)器官技術(shù)發(fā)現(xiàn)PDAC耐藥性機(jī)制的關(guān)鍵原因。

他們發(fā)現(xiàn)，利用3名患者來(lái)源的PDAC類(lèi)器官在與體內(nèi)腫瘤機(jī)械匹配的高剛度基質(zhì)中培養(yǎng)時(shí)，對(duì)幾種臨床相關(guān)的化療產(chǎn)生耐藥性。此外，PDAC化療耐藥性在從高剛度基質(zhì)轉(zhuǎn)移到低剛度基質(zhì)后是可逆的，這表明靶向纖維化細(xì)胞外基質(zhì)可能會(huì)使化療耐藥腫瘤敏感。

借助患者來(lái)源PDAC類(lèi)器官平臺(tái)，通過(guò)生物工程材料實(shí)現(xiàn)化療藥物耐藥性的可逆轉(zhuǎn)，有助于深入理解該病的耐藥機(jī)制，為攻克胰腺癌化療藥物耐藥性帶來(lái)新希望，為未來(lái)藥物開(kāi)發(fā)提供了令人興奮的新方向。此外，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)也展示了類(lèi)器官技術(shù)在疾病模型建立和藥物篩選中的潛力，為未來(lái)的精準(zhǔn)醫(yī)療和個(gè)性化治療提供了重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

人源類(lèi)器官模型揭示

胰腺癌耐藥性機(jī)制

胰腺導(dǎo)管腺癌（PDAC）的特征是其纖維化和剛性細(xì)胞外基質(zhì)。臨床上，PDAC化療耐藥性與細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的極端纖維化重塑有關(guān)。PDAC ECM高硬度和致密間質(zhì)的特點(diǎn)導(dǎo)致疾病進(jìn)展過(guò)程中會(huì)惡化，與患者生存不良相關(guān)。

然而，細(xì)胞/細(xì)胞外基質(zhì)信號(hào)如何改變PDAC腫瘤表型一直難以研究。為了填補(bǔ)這一知識(shí)空白，研究人員在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)和制造了重現(xiàn)PDAC腫瘤細(xì)胞外基質(zhì)關(guān)鍵特征的基質(zhì)。

他們利用3名PDAC患者來(lái)源的類(lèi)器官模型，設(shè)計(jì)了一個(gè)由透明質(zhì)酸（Hyaluronic Acid，即HA）和彈性蛋白樣蛋白（elastin-like protein，即ELP）組成的可調(diào)節(jié)的三維（3D）基質(zhì)——被稱(chēng)為“HELP”水凝膠，來(lái)模擬體內(nèi)PDAC ECM的關(guān)鍵生化和機(jī)械特性。斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程教授、本研究論文高級(jí)作者莎拉·海爾肖恩（Sarah Heilshorn）表示，“這個(gè)HELP設(shè)計(jì)矩陣，使我們能夠測(cè)試這些癌細(xì)胞可能對(duì)周?chē)仃囍械幕瘜W(xué)信號(hào)和機(jī)械屬性做出反應(yīng)的想法?！?/p>

△ 工程HELP矩陣示意圖

研究人員利用這個(gè)新系統(tǒng)選擇性地激活癌細(xì)胞中的某些類(lèi)型的受體，并調(diào)整他們?cè)O(shè)計(jì)矩陣的化學(xué)和物理屬性。他們創(chuàng)建了與Cultrex水凝膠對(duì)照的低剛度到PDAC腫瘤組織的高剛度的HELP水凝膠，對(duì)應(yīng)他們的濃度，分別命名為HELP Low、HELP Medium和HELP High。

△ 在Cultrex和HELP基質(zhì)中培養(yǎng)的PDAC類(lèi)器官對(duì)照?qǐng)D

通過(guò)使用基因條形碼，研究人員發(fā)現(xiàn)盡管發(fā)生了基質(zhì)特異性克隆選擇，但細(xì)胞異質(zhì)性并不是化療耐藥性的主要驅(qū)動(dòng)因素。相反，由于CD44受體與透明質(zhì)酸（HA）相互作用介導(dǎo)的藥物外流轉(zhuǎn)運(yùn)體表達(dá)增加，基質(zhì)誘導(dǎo)的化療耐藥性在僵硬的環(huán)境中發(fā)生。

△ 在Cultrex和HELP基質(zhì)中進(jìn)行基因條形碼PDAC類(lèi)器官擴(kuò)增的方案和潛在結(jié)果的示意圖

在不斷建模過(guò)程中，他們發(fā)現(xiàn)胰腺癌需要兩種物質(zhì)才能對(duì)化療產(chǎn)生耐藥性：物理上堅(jiān)硬的細(xì)胞外基質(zhì)和大量的透明質(zhì)酸——幫助硬化細(xì)胞外基質(zhì)的聚合物，并通過(guò)CD44受體與細(xì)胞相互作用。

為了在功能上測(cè)試CD44的作用，研究人員在患者來(lái)源的PDAC類(lèi)器官中通過(guò)CRISPR Cas9敲除CD44基因，通過(guò)CD44陰性細(xì)胞分選后在HELP Low和High基質(zhì)中培養(yǎng)，并在吉西他濱處理之前擴(kuò)增4代，同時(shí)進(jìn)行野生型對(duì)照。

結(jié)果表明，敲除CD44后的PDAC類(lèi)器官穩(wěn)健地?cái)U(kuò)增，在四次傳代中，HELP低和HELP高之間具有相似的生長(zhǎng)速率。敲除CD44的類(lèi)器官在HELP Low和HELP High基質(zhì)中CD44的表達(dá)顯著降低。在HELP High中傳代4次后，PDAC單細(xì)胞采用了與類(lèi)器官藥物處理相同的剛度介導(dǎo)的化學(xué)抗性。

△ HA介導(dǎo)的CD44信號(hào)傳導(dǎo)介導(dǎo)PDAC類(lèi)器官化學(xué)耐藥

此外，實(shí)驗(yàn)還表明了PDAC類(lèi)器官可以動(dòng)態(tài)地改變其表型和藥物敏感性，以響應(yīng)高剛度基質(zhì)中HA介導(dǎo)的CD44相互作用，逆轉(zhuǎn)基質(zhì)剛度可能會(huì)使PDAC類(lèi)器官對(duì)吉西他濱治療重新敏感。

“我們發(fā)現(xiàn)，較硬的組織會(huì)導(dǎo)致胰腺癌細(xì)胞對(duì)化療產(chǎn)生耐藥性，而較軟的組織會(huì)使癌細(xì)胞對(duì)化療更敏感，”本研究論文高級(jí)作者莎拉·海爾肖恩（Sarah Heilshorn）說(shuō)。此外，該研究團(tuán)隊(duì)還正進(jìn)一步“升級(jí)”他們的細(xì)胞培養(yǎng)模型，添加新類(lèi)型的細(xì)胞，以便更好地模擬腫瘤周?chē)h(huán)境，并調(diào)整它以研究剛度以外的其他機(jī)械特性。

本次實(shí)驗(yàn)利用患者來(lái)源的PDAC 類(lèi)器官模型，通過(guò)工程化基質(zhì)確定了PDAC化療耐藥性與細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）之間此前未測(cè)試的因果關(guān)系，這為有效的患者治療藥物研發(fā)開(kāi)辟了新方向。借助這種創(chuàng)新性的細(xì)胞外基質(zhì)在癌癥進(jìn)展中的潛在作用，有望通過(guò)調(diào)控基質(zhì)剛度來(lái)提高化療效果，探索出個(gè)性化治療的新途徑，為胰腺癌精準(zhǔn)醫(yī)療的臨床前轉(zhuǎn)化提供新的研究方向。

類(lèi)器官技術(shù)加持

胰腺癌精準(zhǔn)醫(yī)療

類(lèi)器官技術(shù)在疾病建模和藥物篩選中的巨大潛力，為未來(lái)腫瘤精準(zhǔn)醫(yī)療和個(gè)性化治療提供了重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和有力工具。

2023年11月，來(lái)自東京大學(xué)的研究人員在《Cell Reports》發(fā)表最新研究成果[2]：他們利用人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生的間充質(zhì)干細(xì)胞，融合了患者來(lái)源的胰腺導(dǎo)管腺癌細(xì)胞，生成一種全新的胰腺癌類(lèi)器官（Fused pancreatic cancer organoids，F(xiàn)PCO），其腫瘤微環(huán)境包含有不同功能的成纖維細(xì)胞，通過(guò)單細(xì)胞RNA基因測(cè)序，進(jìn)一步表明了成纖維細(xì)胞的異質(zhì)性。

△ 利用iPSC、細(xì)胞球體共培養(yǎng)和氣液界面（ALI）技術(shù)，形成適合胰腺癌細(xì)胞的導(dǎo)管狀結(jié)構(gòu)，最后融合而成2種胰腺癌類(lèi)器官

這種創(chuàng)新融合方式，產(chǎn)生了兩種不同的胰腺癌類(lèi)器官（增殖性和靜止性），可高度模擬患者的腫瘤組織和獨(dú)特的腫瘤微環(huán)境，類(lèi)似于典型患者腫瘤組織的不同部分。

研究表明，增殖性的胰腺癌類(lèi)器官（pFPCO）是一種有效的腫瘤類(lèi)器官模型，或?qū)殚_(kāi)發(fā)可以抑制PDAC復(fù)發(fā)的癌癥療法提供檢測(cè)系統(tǒng)，有助于抗癌藥物的篩選，有望促進(jìn)癌癥生物學(xué)和個(gè)性化醫(yī)療的深入研究。

類(lèi)器官不僅可以高度還原腫瘤組織的微環(huán)境，模擬患者腫瘤組織，幫助抗癌藥物的篩選；還可以揭示靶向藥對(duì)抑制腫瘤生長(zhǎng)，對(duì)抗腫瘤方面的潛在功效，為個(gè)性化治療提供新視野。

為了改進(jìn)PDAC治療，2024年3月，科學(xué)家在《Nature Communications》發(fā)表研究[3]，他們建立了基于類(lèi)器官和共培養(yǎng)技術(shù)的篩選系統(tǒng)，并找到抗體-藥物偶聯(lián)物（ADC）的有效載荷。

研究人員選擇癌胚抗原相關(guān)細(xì)胞粘附分子6（CEACAM6，也稱(chēng)為CD66c）作為ADC的靶點(diǎn)，并開(kāi)發(fā)了一種對(duì)CEACAM6表達(dá)的正常細(xì)胞反應(yīng)最小的抗體#84.7。

△ CEACAM6抗體#84.7的建立

通過(guò)新型抗體藥物CEACAM6-EBET在多個(gè)胰腺癌患者異種移植（PDAC-PDX）模型的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，腫瘤明顯縮小，且聯(lián)合常規(guī)化療或PD-1抗體使用時(shí)耐受性和毒性均較低。CEACAM6-EBET抗體藥的出現(xiàn)，將成為該領(lǐng)域的重要突破，有望為胰腺癌治療提供新策略和新希望。

患者來(lái)源的腫瘤類(lèi)器官在精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。由于患者來(lái)源的腫瘤類(lèi)器官具有高穩(wěn)定性、可傳代、高度模擬腫瘤環(huán)境的特征，為研究疾病的發(fā)病機(jī)制提供了絕佳的體外場(chǎng)所。有望實(shí)現(xiàn)患者的個(gè)性化治療方案的定制，加速新藥研發(fā)進(jìn)程，提高治療效果，為腫瘤精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的探索開(kāi)辟了全新的研究方向。