文章題目：Development of human pancreatic cancer avatars as a model for dynamic immune landscape profiling and personalized therapy

中文題目：開發(fā)胰腺癌“阿凡達”模型用于免疫景觀分析和個性化治療

發(fā)表期刊：Science Advances

影響因子：11.7

研究機構：牛津大學腫瘤學系

Doi：10.1126/sciadv.adm9071
 

1、文章簡介 

胰腺導管腺癌（PDAC）是最常見的胰腺癌類型之一。主要因為大多數(shù)患者在診斷時已處于晚期階段，且預后差，因此PDAC的整體生存率較低。由于現(xiàn)有的治療方法效果有限，亟需更好的模型系統(tǒng)來提升治療策略。

研究團隊開發(fā)了一種灌注培養(yǎng)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的靜態(tài)培養(yǎng)方法相比，灌注培養(yǎng)能更穩(wěn)定地維持腫瘤的代謝狀態(tài)和組織結構完整性及細胞活力。利用多重免疫熒光（IF）和GeoMX DSP空間轉錄組技術，研究人員能夠精確分析腫瘤切片中的免疫細胞分布和基因表達，揭示了腫瘤微環(huán)境的異質性和不同免疫細胞之間的相互作用。

最后，利用胰腺癌“阿凡達”模型能夠有效地用于個性化治療的評估，展示了代謝干預對腫瘤微環(huán)境的影響。通過這種模型，個性化治療策略可以顯著降低患者的腫瘤標志物水平，證明了其在精準醫(yī)療中的應用潛力�？傮w而言，這項研究為提高PDAC的治療效果提供了新的思路和方法。

 

2、技術路線

灌注培養(yǎng)系統(tǒng)構建“阿凡達”模型

灌注培養(yǎng)提供連續(xù)的培養(yǎng)基流動，保持細胞的代謝活性。對比組采用傳統(tǒng)的靜態(tài)培養(yǎng)方法，每72小時更換一次培養(yǎng)基。監(jiān)測葡萄糖和乳酸濃度，評估細胞的代謝活動。灌注培養(yǎng)能夠保持恒定的葡萄糖濃度和較低的乳酸積累，表明代謝更穩(wěn)定。

“阿凡達”模型評估

通過組織病理學評分和免疫組化檢測評估組織健康狀況，灌注培養(yǎng)條件下的組織健康狀況保持較好。分析細胞增殖相關標志物和蛋白合成標志物，發(fā)現(xiàn)灌注培養(yǎng)條件下這些標志物保持穩(wěn)定。

免疫景觀分析

1）多重免疫熒光：

使用多重免疫熒光技術，檢測切片中的免疫細胞類型，包括CD4+ T細胞、CD8+ T細胞、調節(jié)性T細胞（Tregs）、巨噬細胞和B細胞。

2）DSP空間轉錄組學：

通過空間轉錄組學技術分析腫瘤和基質部分的基因表達，發(fā)現(xiàn)灌注培養(yǎng)能夠維持基因表達的穩(wěn)定性。

3）免疫細胞鄰近關系：

通過HALO軟件分析免疫細胞和腫瘤細胞之間的距離，評估不同免疫細胞之間以及它們與腫瘤細胞之間的相互作用。

代謝及化療治療評估

使用經(jīng)臨床前驗證的代謝治療方法，評估其對腫瘤和基質細胞的影響。發(fā)現(xiàn)灌注培養(yǎng)條件下的腫瘤切片能恢復基質和免疫表型，并促進腫瘤的再分化。使用gemcitabine治療，監(jiān)測“阿凡達”模型的反應，并與臨床隨訪結果進行比較，發(fā)現(xiàn)模型能夠預測患者的臨床反應。

個性化治療

通過“阿凡達”模型對患者進行個性化治療評估，提供有價值的信息，用于同種異體治療的測試和精確醫(yī)療。

 

3、實驗結果

Figure1：灌注培養(yǎng)條件下細胞的代謝和存活

灌注培養(yǎng)條件比靜態(tài)培養(yǎng)條件更好地維持了胰腺癌細胞的代謝穩(wěn)定性和細胞活力。具體表現(xiàn)為葡萄糖濃度穩(wěn)定、乳酸積累較低，以及關鍵蛋白質（pS6和Cyclin D1）的表達較為穩(wěn)定。

Figure2：灌注培養(yǎng)維持了腫瘤模型組織結構

通過DSP空間轉錄組技術、多重免疫熒光（IF）和HALO分析，研究人員高精度地描繪出胰腺癌“阿凡達”模型中的免疫細胞分布和基因表達模式。DSP空間轉錄組技術能夠在“阿凡達”模型中精確定位和量化多個基因和蛋白質的表達，揭示腫瘤微環(huán)境中不同細胞類型及其相互作用的詳細空間分布。

結果顯示，腫瘤微環(huán)境中存在顯著的免疫細胞異質性，不同區(qū)域的免疫細胞分布和基因表達存在顯著差異。通過分析腫瘤和基質區(qū)域的基因表達差異，揭示了腫瘤區(qū)域和基質區(qū)域在基因表達上的顯著差異，特別是與免疫反應相關的基因在不同區(qū)域中的分布不同。通過比較灌注培養(yǎng)和靜態(tài)培養(yǎng)條件下的基因表達，研究發(fā)現(xiàn)灌注培養(yǎng)能夠更好地維持腫瘤組織的代謝穩(wěn)定性和細胞活力。利用HALO軟件中的相關模塊進行鄰近和空間分析，了解不同免疫細胞類型在腫瘤微環(huán)境中的空間分布和相互作用。

結果表明灌注培養(yǎng)在模擬真實腫瘤微環(huán)境方面具有優(yōu)勢，有助于更準確地研究腫瘤生物學特性和藥物反應。

Figure3：胰腺癌模型中的免疫細胞異質性

通過DSP空間轉錄組技術展示了不同患者（PDCAs 10、12、13）之間免疫細胞的顯著異質性，包括CD4+ T細胞、CD8+ T細胞、調節(jié)性T細胞和巨噬細胞等的分布和密度。使用HALO軟件分析免疫細胞與腫瘤細胞的接近度。這種異質性為理解個體化免疫反應提供了重要依據(jù)，有助于開發(fā)針對性的免疫治療策略。

Figure4：胰腺癌模型中免疫細胞的空間分析

通過HALO軟件分析免疫細胞在腫瘤中的空間分布。其中PDCA13患者的生存時間顯著長于其他兩位患者（PDCA10和PDCA12）。這種差異與免疫細胞的分布和浸潤情況一致，特別是PDCA13患者在腫瘤內的B細胞、Tregs和CD4+ T細胞比例較高，且CD8+ T細胞與其他免疫細胞之間存在顯著的空間距離。這表明，免疫細胞的空間分布和浸潤情況可能與患者的生存率有重要關聯(lián)。這種空間異質性可能與不同患者對免疫治療的反應差異有關。

Figure5: 抗壞血酸和二甲雙胍對腫瘤和基質的影響

通過對腫瘤模型進行DSP空間轉錄組分析，研究了兩種藥物處理下的基因表達變化。利用已發(fā)表的基因集，通過GSVA分析發(fā)現(xiàn)藥物處理使腫瘤細胞從侵襲性的鱗狀樣表型向較溫和的經(jīng)典表型轉變。對基質細胞的GSVA分析顯示，藥物處理后與較溫和腫瘤相關的基質形式增加，而與侵襲性腫瘤相關的活化基質減少。通過CIBERSORTx反卷積分析，展示了藥物處理對CD8+ T細胞的影響，顯示免疫成分的變化。結論表明，抗壞血酸和二甲雙胍治療能夠通過改變腫瘤細胞表型、基質反應和免疫細胞浸潤，從多個方面抑制胰腺癌的侵襲性特征。

 

Figure6：“阿凡達”模型在精準治療中的應用

Gemcitabine是胰腺癌治療中的標準化療藥物，廣泛應用于臨床。因為化療通常在手術切除后大約3個月開始，利用這一時間窗口，研究可以在治療前測試潛在藥物并分析結果，以選擇進一步的治療方法。通過在患者“阿凡達”模型中使用gemcitabine，研究人員可以評估這種標準化療藥物在不同患者模型中的具體反應。通過qPCR評估GATA6和KRT81基因表達，PDCA14中GATA6的低表達和KRT81基因的高表達表明該腫瘤為鱗狀細胞樣，因此是一種更具侵襲性的亞型。PDCA16和PDCA17顯示相反的表達譜，因此很可能是經(jīng)典腫瘤。鱗狀細胞樣腫瘤對gemcitabine治療具有更高的敏感性，gemcitabine治療后PDCA14顯示細胞增殖減少和細胞死亡增加，而 PDCA16 和 PDCA17 對治療沒有反應�；颊叩呐R床結果與“阿凡達”模型的觀察結果一致。

該模型的開發(fā)助于理解個體間的差異，并為個性化治療策略提供依據(jù)。通過比較gemcitabine治療前后的腫瘤行為變化，研究人員能夠驗證模型的預測能力和實際應用價值。

 

4、結論與總結

該研究成功開發(fā)了一種新型的人類胰腺癌“阿凡達”模型，利用灌注培養(yǎng)系統(tǒng)和DSP空間轉錄組技術，實現(xiàn)了對腫瘤微環(huán)境中免疫景觀的詳細分析。研究表明，灌注培養(yǎng)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的靜態(tài)培養(yǎng)方法更能維持腫瘤細胞的代謝穩(wěn)定性和細胞活力，保持組織切片的結構完整性和細胞穩(wěn)定性。通過多重免疫熒光和DSP空間轉錄組技術，研究揭示了腫瘤微環(huán)境中的免疫細胞異質性和分布差異，為理解個體化免疫反應提供了重要依據(jù)。此外，研究評估了抗壞血酸和二甲雙胍等代謝干預措施對腫瘤和基質成分的影響，發(fā)現(xiàn)這些干預措施能夠改變腫瘤微環(huán)境的基因表達和免疫細胞分布。利用胰腺癌“阿凡達”模型，研究能夠預測不同治療方案的效果，為個性化治療提供實驗依據(jù)，展示了其在精準醫(yī)療中的潛力。

DSP技術在解析腫瘤微環(huán)境中的空間異質性以及評估治療反應方面的強大能力，提供了精細的基因表達圖譜，有助于理解腫瘤微環(huán)境的復雜性和治療的有效性。“阿凡達”模型的開發(fā)和應用不僅顯著降低了患者的腫瘤標志物水平并穩(wěn)定了疾病負擔，還為未來的癌癥研究和治療策略提供了寶貴的參考和實驗平臺，有望推動精準醫(yī)療的發(fā)展和應用。