腫瘤類器官：為患者“替身”試藥，助力精準醫(yī)療
2024-06-13 點擊量：658
類器官 VS 組織樣本 VS 動物模型
類器官腫瘤藥篩模型似乎給患者帶來了希望。科學家們可以在實驗室培育出源自人類腫瘤的類器官，用于測試癌癥藥物，從而預測患者對藥物的反應。類器官技術可在疾病的各個階段，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、耐藥風險和腫瘤復發(fā)幾率，在避免“走彎路”的同時減輕患者的經濟負擔。
-01- 類器官概念 早在2009 年，Hans Clevers 實驗室使用單個LGR5 +腸干細胞在體外自組織成具有腸隱窩 - 絨毛結構的腸類器官，這是首個體外自組織的微型器官。也因此，Hans Clevers 被譽為 “國際類器官鼻祖”。 圖片來源：Hans Clevers, Nature, 2009 -02- 類器官藥篩模型 一個關鍵問題，為什么不繼續(xù)使用現(xiàn)有2D細胞模型或PDX藥篩模型？ 因為2D細胞模型雖然可以在體外進行擴增，但是與人體差異較大，且傳代后的細胞會喪失腫瘤異質性。而用人源化小鼠模型（PDX）進行藥物的篩選成功率較低，測試周期也較長（通常需要6~8個月才能出結果），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、臨床相關性強的特點。2018年《Science》雜志報道了首個腸癌類器官藥敏臨床療效觀察試驗，并獲得了88%的陽性預測值和100%的陰性預測值的結果，展現(xiàn)了極強的臨床相關性。 腫瘤臨床藥篩模型必須能滿足三大要求包括：需要在短時間內出具藥敏檢測結果、藥物篩查通量高、預測效果準確。而類器官都顯現(xiàn)出了強勁優(yōu)勢。 速度快：類器官構建成功率高，培養(yǎng)速度快。常規(guī)來說，在類器官培養(yǎng)一周之后就可以進行藥篩。從樣本采集到出具藥敏結果的全流程已經可以很好地控制在2周之內。 通量高：利用類器官不僅可以在孔板上進行多種藥物的篩查，每個藥物還可以測試不同的濃度，多個實驗平行開展。 臨床相關性強：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。Vlachogiannis G團隊在Science發(fā)表了腫瘤類器官體外藥敏測試指導臨床用藥的里程碑式研究，在71位轉移性胃腸道癌提取了110份組織構建了類器官，共測試了55種抗癌藥物。研究結果顯示，類器官藥篩達到了93%的特異性，100%的靈敏度、88%的陽性預測率和100%的陰性預測率，展現(xiàn)了極高的臨床相關性。 -03- 腫瘤類器官進行藥篩的流程，包括類器官的構建、評估、藥敏檢測三大方面。 ▉ 類器官的構建： 樣本來源通常為腫瘤組織或者胸腹水等惡心積液，樣本經消化或離心、過濾后分離出腫瘤細胞，然后選擇合適的生物材料或者基質膠作為3D培養(yǎng)的細胞外基質，通過模擬腫瘤細胞基質環(huán)境進行培養(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、基質膠等，這些試劑在不同的實驗室及培養(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行仔細考量，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)”的杭州市科技重點項目。 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，運用組織病理學染色和基因測序的方法對培養(yǎng)的類器官與原代腫瘤標本進行對比，顯示構建的類器官依然保留著原腫瘤的特性。 ▉ 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和細胞抑制率，來預測對腫瘤抑制效果最好的藥物或藥物組合。 目前，該團隊已在中國臨床試驗注冊中心注冊“基于類器官技術的腫瘤患者個體化治療研究”的觀察性研究項目，該臨床項目的研究過程中發(fā)現(xiàn)多個病例的藥物敏感性結果與臨床療效一致。 今后，還將構建出多種腫瘤的生物信息庫平臺，并利用類器官模型庫進行大規(guī)模藥物候選分子的敏感性檢測，建立藥效學和臨床用藥信息數(shù)據庫，這將加速癌癥患者精準化、個體化治療的進程。 -04- 類器官臨床應用的困境 目前，大多數(shù)類器官本身不具備血管化結構和免疫環(huán)境，因此無法預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險并不能做出預判。 類器官臨床應用的困境： 血管化。目前大多類器官本身并不具備血管化的結構。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，可能導致的組織壞死。已有研究構建血管內皮細胞微環(huán)境的腫瘤類器官，將類器官腫瘤細胞和血管內皮細胞在Matrigel上共同培養(yǎng)，生成血管結構以期解決類器官血管化缺失的問題。 免疫化。血管化以外的難點還包括模擬腫瘤和免疫環(huán)境的相互作用關系。2019年Nature Protocol發(fā)表了腫瘤類器官和免疫細胞共同培養(yǎng)的相關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胞、在組織消化成單細胞后和免疫細胞共同生長、添加ECM中的重組細胞因子等方法重塑類器官和免疫細胞的相互作用。 系統(tǒng)化。相比于單個類器官，類器官系統(tǒng)的構建能夠對藥物療效和潛在毒性做出更完整全面的評估。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險并不能做出預判。 為了解決這些問題，科學家們一直在努力，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現(xiàn)，類器官藥篩將能提供范圍更廣、更加準確的答案。 -05- 文末小結
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