近幾十年，我們對(duì)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(gè)主要的全球健康問(wèn)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(lái)源的異種移植模型、小鼠或非小鼠動(dòng)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(lái)，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(shí)：腫瘤類器官是來(lái)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(zhǎng)因子和代謝物，它們對(duì)腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)、侵襲能力和藥物反應(yīng)具有深遠(yuǎn)的影響。每個(gè)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(duì)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]

 

 
患者來(lái)源的腫瘤類器官 (PDOs) 能夠彌補(bǔ) 2D 細(xì)胞和小鼠異體移植癌癥模型 (PDX) 的缺點(diǎn)，為優(yōu)化臨床前藥物發(fā)現(xiàn)提供了很大的希望。

 

圖 2. 2D 細(xì)胞模型、PDXs、患者來(lái)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(cè)試而被廣泛使用。但從根本上說(shuō)，它們不能準(zhǔn)確的代表體內(nèi)腫瘤。其主要限制在于無(wú)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(wú)法準(zhǔn)確概括癌癥的復(fù)雜性和動(dòng)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(lái)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(lái)耗時(shí)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(dòng)物模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的各種倫理問(wèn)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(guò)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(guò) CRISPR/Cas9 技術(shù)對(duì)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(wú)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(jí)：將類器官植入高度血管化的組織或者通過(guò)基因編輯或結(jié)合混合細(xì)胞共培養(yǎng) (使用微流體平臺(tái)) 來(lái)實(shí)現(xiàn)腫瘤血管化建模。通過(guò)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(lái)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(guò)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(duì)治療的反應(yīng)，并且可以建立腫瘤類器官生物庫(kù)。

 

PDOs 可用于研究耐藥性、代謝、分化和癌癥基因功能，近年來(lái)，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(gè)性化的癌癥治療，Zilong Zhou 等人總結(jié)類器官培養(yǎng)平臺(tái)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(cè)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(duì)在 Science 發(fā)表了 PDOs 模型對(duì)轉(zhuǎn)移性胃腸癌的藥敏測(cè)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(cè)試了 55 種抗癌藥物，研究結(jié)果顯示，這些 PDOs 在預(yù)測(cè)患者對(duì)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(yáng)性預(yù)測(cè)率和 100% 的陰性預(yù)測(cè)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(zhǎng)因子和抑制劑，培養(yǎng)基中生長(zhǎng)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)

 
 

MCE 提供高純度、高生物活性、低內(nèi)毒素的一系列用于類器官培養(yǎng)的重組蛋白，類器官培養(yǎng)需要的小分子，研究常用染料一并奉上，助力科研！

 

● 高純度 ● 高生物活性  ● 低內(nèi)毒素水平  ● 穩(wěn)定的一致性 ● 規(guī)格齊全

 

 

細(xì)胞因子

Human EGF 上皮組織生長(zhǎng)因子；EGF 與 EGF 受體結(jié)合，誘導(dǎo)增生性變化。 胃腸道、肝臟、甲狀腺、腦等類器官培養(yǎng)所需因子。

Human FGF-2/4/9/10 FGFs 在早期發(fā)育中對(duì)中胚層誘導(dǎo)、肢體發(fā)育、神經(jīng)誘導(dǎo)和神經(jīng)發(fā)育有重要作用。在成熟組織中，F(xiàn)GFs 對(duì)血管生成、角質(zhì)形成細(xì)胞組織和傷口愈合過(guò)程至關(guān)重要。 例如 FGF-basic (FGF-2)、FGF-10 是常見的類器官培養(yǎng) Niche 因子，如肝臟類器官、前列腺類器官。

Human HGF HGF/Met 信號(hào)通路促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)、侵襲和遷移。 HGF 可充當(dāng)肝細(xì)胞的有絲分裂原，用于肝類器官培養(yǎng)。

Human Wnt3a Wnt 參與調(diào)節(jié)細(xì)胞發(fā)育、增殖、分化、粘附、極性、細(xì)胞-細(xì)胞通信、生存和自我更新功能。 Wnt3a 在類器官的擴(kuò)展能力中起著重要的作用，是最常用培養(yǎng)因子之一。

Human BMP-4 BMP 在胚胎發(fā)生、發(fā)育和維持組織穩(wěn)態(tài)中起著至關(guān)重要的作用。  體外實(shí)驗(yàn)中，BMP-2 和 BMP-4 被廣泛應(yīng)用于誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 (iPSC) 和胚胎干細(xì)胞 (ESC) 產(chǎn)生肝細(xì)胞。

Human Noggin 骨形態(tài)發(fā)生蛋白的內(nèi)源性抑制劑，調(diào)節(jié)細(xì)胞分化、增殖和凋亡。 Noggin 是最基礎(chǔ)的類器官培養(yǎng)因子之一。

Human DKK-1 DKK-1 是典型的 Wnt 抑制劑，可誘導(dǎo)視網(wǎng)膜前體自組織。

小分子抑制劑

Y-27632 dihydrochloride  Rho 激酶抑制劑；常用于類器官構(gòu)建。

A 83-01 ALK4/5/7 抑制劑；抑制類器官的增殖。

MCE 的所有產(chǎn)品僅用作科學(xué)研究或藥證申報(bào)，我們不為任何個(gè)人用途提供產(chǎn)品和服務(wù)

 

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.

2. Malia Alexandra Foo, Mingliang You, Lingzhi Wang, Boon‑Cher Goh, et al. Clinical translation of patient-derived tumor organoids- bottlenecks and strategies Preclinical tumor models are an important platform for mechanistic research and testing of new drugs.Biomark Res. 2022 Mar 10;10(1):10.
3. Jarno Drost, Hans Clevers.Organoids in cancer research.Nat Rev Cancer. 2018 Jul;18(7):407-418.
4. Bauer L. LeSavage, Sarah C. Heilshorn, et al. Next-generation cancer organoids. Nat Mater. 2022 Feb;21(2):143-159.
5. Zilong Zhou, Lele Cong, Xianling Cong. Patient-Derived Organoids in Precision Medicine: Drug Screening, Organoid-on-a-Chip and Living Organoid Biobank. Front Oncol. 2021 Dec 30;11:762184.
6. Colin Rae, Francesco Amato, Chiara Braconi. Patient-Derived Organoids as a Model for Cancer Drug Discovery.Int J Mol Sci. 2021 Mar 27;22(7):3483.

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.