腫瘤精準(zhǔn)醫(yī)療從實(shí)驗(yàn)研究到臨床評價(jià)，已得到深入而廣泛的探索，以達(dá)到個(gè)體化治療和改善患者預(yù)后的目的。然而，基于基因型的腫瘤精準(zhǔn)醫(yī)療存在一定的局限性或不足。腫瘤微環(huán)境（TME）內(nèi)持續(xù)腫瘤增殖期間的基因組不穩(wěn)定性導(dǎo)致腫瘤內(nèi)和腫瘤間的異質(zhì)性，導(dǎo)致耐藥性和治療失敗。因此，TME內(nèi)部引發(fā)的相互作用網(wǎng)絡(luò)阻礙了精準(zhǔn)腫瘤治療的臨床應(yīng)用。需要進(jìn)一步開發(fā)臨床前模型來研究TME并指導(dǎo)臨床精準(zhǔn)治療。

鑒于腫瘤內(nèi)的異質(zhì)腫瘤細(xì)胞和腫瘤相關(guān)細(xì)胞對復(fù)雜細(xì)胞間相互作用的進(jìn)展貢獻(xiàn)不均，使用2D腫瘤細(xì)胞系的腫瘤研究結(jié)果受到了挑戰(zhàn)。癌癥類器官保留了TME的3D結(jié)構(gòu)，為分子相互作用提供了物理背景。近年來，研究人員建立了腫瘤類器官共培養(yǎng)模型，用于闡明細(xì)胞間相互作用、腫瘤免疫反應(yīng)機(jī)制和腫瘤轉(zhuǎn)移機(jī)制。

在中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院骨科研究團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)綜述中，梳理了腫瘤類器官在人體多系統(tǒng)腫瘤研究中的應(yīng)用，討論了腫瘤類器官模型系統(tǒng)在基因組分析和藥物篩選中的應(yīng)用，并分析了一種新的腫瘤類器官共培養(yǎng)模型系統(tǒng)，以及其在研究細(xì)胞間相互作用、腫瘤內(nèi)免疫反應(yīng)以及腫瘤進(jìn)化和個(gè)性化精準(zhǔn)醫(yī)療的潛在機(jī)制方面的應(yīng)用。這篇綜述提供了一個(gè)更好的視角，幫助研究人員將這種實(shí)用方法應(yīng)用于腫瘤研究和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)。研究成果發(fā)表在 Frontiers in Immunology 期刊題為“Cancer organoid co-culture model system: Novel approach to guide precision medicine"。

類器官是一種干細(xì)胞衍生的3D細(xì)胞培養(yǎng)物，它獲得了相應(yīng)組織的結(jié)構(gòu)、多種細(xì)胞類型的集合和功能。在過去的幾十年里，對干細(xì)胞的大量研究使人們更好地了解了它們的行為，出現(xiàn)了控制干細(xì)胞自組織和分化的方法，這為進(jìn)一步建立類器官提供了科學(xué)依據(jù)。干細(xì)胞有兩種類型，一個(gè)是胚胎干細(xì)胞（ESCs），另一個(gè)是成體干細(xì)胞（ASCs）。ESCs具有發(fā)育全能性，可以分化成所有細(xì)胞類型，ASCs是未分化的干細(xì)胞，具有在特定器官中分化，維持穩(wěn)態(tài)和再生的能力。自1981年以來，干細(xì)胞研究的重大科學(xué)進(jìn)步為類器官開發(fā)鋪平了道路（圖1）。類器官形成和生長的關(guān)鍵點(diǎn)是培養(yǎng)條件是否復(fù)制了干細(xì)胞的體內(nèi)生態(tài)位信號通路，這有助于維持干細(xì)胞功能和誘導(dǎo)分化。

圖1    類器官和共培養(yǎng)系統(tǒng)開發(fā)。類器官和腫瘤類器官的歷史以及各種腫瘤類器官和特定細(xì)胞類型的成熟共培養(yǎng)系統(tǒng)。

近年來，各種腫瘤類器官，包括結(jié)直腸癌（CRC），乳腺癌，肝細(xì)胞癌和非小細(xì)胞肺癌，已被開發(fā)用于藥物篩選，放療篩選，基因組編輯，移植和腫瘤基因鑒定。大多數(shù)腫瘤類器官是從患者來源的腫瘤樣本中獲得的，并在ASCs-類器官條件下生成，但CRISPR-Cas9核酸酶基因組編輯系統(tǒng)也建立了少數(shù)。

各種腫瘤類器官的產(chǎn)生需要不同的方法，沒有標(biāo)準(zhǔn)化的培養(yǎng)基或?qū)嶒?yàn)程序，最佳組織通常從腫瘤邊緣獲得，壞死率zui低。一般來說，整個(gè)過程是通過機(jī)械力和酶將腫瘤樣本消化成~1mm直徑的碎片，然后將組織懸浮液作為仿生支架接種到Matrigel上。與培養(yǎng)健康類器官不同，腫瘤類器官培養(yǎng)shou選生長因子降低的培養(yǎng)基，以減少克隆選擇并避免混淆藥物治療效果。用于腫瘤類器官培養(yǎng)的生長因子包括Wnt3A、R-spondin-1、TGF-β受體抑制劑、表皮生長因子和Noggin，但這些因子在培養(yǎng)基中添加的組合和濃度取決于特定的癌癥類型。與初始培養(yǎng)過程相比，類器官傳代是培養(yǎng)過程中更簡單但bi不ke少的過程，必須關(guān)注的問題是可用于研究的癌癥類器官的傳代數(shù)。

隨著腫瘤類器官開發(fā)的進(jìn)步，其已成為腫瘤研究中被廣泛接受的實(shí)用模型（圖2）。腫瘤類器官主要用于個(gè)性化醫(yī)療方法的藥物篩選?；颊邅碓搭惼鞴伲≒DOs）的藥物反應(yīng)主要模擬患者對相同藥物的初始反應(yīng)。這些研究表明，驅(qū)動致癌途徑的基因變化與這種療法相對應(yīng)。因此，藥物篩選是腫瘤研究中腫瘤類器官應(yīng)用的首要環(huán)節(jié)，以篩選zui有xiao的藥物并預(yù)測其治療效果。

腫瘤類器官的原位移植已在臨床前模型中建立。測序分析通常用于鑒定類型特異性差異表達(dá)的基因。進(jìn)行RNA測序分析和全外顯子組測序以鑒定腫瘤相關(guān)基因。此外，隨著時(shí)間的推移，這些技術(shù)是腫瘤類器官的主要認(rèn)證方法，靶向測序用于識別靶點(diǎn)突變。CRISPR-Cas9技術(shù)在基因組編輯領(lǐng)域的革命性技術(shù)，已應(yīng)用于類器官研究。  

腫瘤類器官現(xiàn)在是腫瘤研究中的多功能工具，但是也存在一些缺點(diǎn)。類器官僅包括上皮層，而沒有周圍間充質(zhì)、免疫細(xì)胞、神經(jīng)系統(tǒng)或肌肉層等天然微環(huán)境。開發(fā)一種新型的腫瘤類器官與其他細(xì)胞或類器官共培養(yǎng)模型系統(tǒng)可以概括細(xì)胞間相互作用。此外，應(yīng)改進(jìn)培養(yǎng)基以促進(jìn)類器官生長和長期擴(kuò)增，同時(shí)盡量減少培養(yǎng)基中生長因子對類器官行為的影響。

圖2    腫瘤類器官建立的程序及共培養(yǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用。將來自手術(shù)切除的腫瘤或活檢的腫瘤組織解剖成小塊或消化成細(xì)胞，與基質(zhì)膠混合，并在補(bǔ)充有特定生長因子的培養(yǎng)基中培養(yǎng)。將腫瘤類器官（無論是否解剖成細(xì)胞）與類器官、癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞或相關(guān)細(xì)胞（主要是免疫細(xì)胞）共培養(yǎng)，以模擬腫瘤或TME內(nèi)特定細(xì)胞之間的相互作用。

共培養(yǎng)是一種在同一培養(yǎng)環(huán)境中直接或間接培養(yǎng)多種不同細(xì)胞類型的方法。建立腫瘤類器官共培養(yǎng)模型有三個(gè)主要目的。第一個(gè)也是最常見的應(yīng)用是通過腫瘤內(nèi)特定細(xì)胞類型之間的直接或間接相互作用來驅(qū)動類器官的形成。第二個(gè)是產(chǎn)生特異性腫瘤靶向細(xì)胞毒性免疫細(xì)胞，用于使用腫瘤類器官進(jìn)行腫瘤治療。第三個(gè)是檢測腫瘤類器官和特定細(xì)胞之間的免疫串?dāng)_，這種串?dāng)_通常是通過一個(gè)細(xì)胞群的懸浮來實(shí)現(xiàn)的，通常是腫瘤相關(guān)的成纖維細(xì)胞，通過分泌信號因子和細(xì)胞因子來調(diào)節(jié)類器官的培養(yǎng)基。此外，腫瘤類器官與特定類型細(xì)胞的共培養(yǎng)系統(tǒng)可用于不同的研究目的，并且腫瘤類器官與多種類型細(xì)胞的共培養(yǎng)可以準(zhǔn)確地模擬腫瘤狀況。

Farin等人建立了CRC類器官和CAFs（腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞）共培養(yǎng)物，獲得了CRC中成纖維細(xì)胞可塑性的體外模型，揭示了共培養(yǎng)增加了由Wnt和IWP-2調(diào)節(jié)的CAFs的收縮性。此外，還開發(fā)了用于藥物測試和闡明CRC-CAF串?dāng)_的CRC PDO-CAF模型，表明CAFs在不添加生長因子的情況下維持了水凝膠中CRC類器官的增殖，并恢復(fù)了CRC類器官單獨(dú)培養(yǎng)中缺失的、但存在于腫瘤中的du特信號通路。這表明CRC-CAF共培養(yǎng)模型適用于藥物評估，并有助于我們更接近個(gè)性化腫瘤藥物的目標(biāo)。同樣，CAFs還促進(jìn)了體外HCC腫瘤類器官和移植異種移植模型的生長。CAFs對腫瘤進(jìn)展至關(guān)重要，CAFs和腫瘤類器官的共培養(yǎng)可以概括腫瘤起源內(nèi)的TME。

腫瘤類器官共培養(yǎng)模型的主要應(yīng)用是與免疫細(xì)胞的共培養(yǎng)，包括細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞，NK細(xì)胞，巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞。為了獲得腫瘤反應(yīng)性T細(xì)胞，添加外周血淋巴細(xì)胞并與非小細(xì)胞肺癌類器官共培養(yǎng)，為產(chǎn)生用于過繼T細(xì)胞轉(zhuǎn)移的患者特異性T細(xì)胞提供了臨床可行的策略。最近，開發(fā)了一種新穎的共培養(yǎng)方法來預(yù)測精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的療效，以實(shí)現(xiàn)對胃癌患者的更好預(yù)后，使用癌癥抗原刺激抗原呈遞樹突狀細(xì)胞（DC），然后與CD8+ T細(xì)胞共培養(yǎng)以促進(jìn)這些T細(xì)胞的細(xì)胞溶解和增殖，然后與患者來源的胃癌類器官共培養(yǎng)。這種方法可能被認(rèn)為在TME中更相關(guān)，而不是由人工方法誘導(dǎo)T細(xì)胞活化。PDO與免疫細(xì)胞聯(lián)合檢查點(diǎn)阻斷抑制劑共培養(yǎng)已被應(yīng)用于腫瘤精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的一系列研究，為預(yù)測PDO的精準(zhǔn)治療效果提供了重要的見解。這個(gè)過程需要近十天，包括手術(shù)切除后的腫瘤類器官建立、免疫細(xì)胞的制備、共培養(yǎng)、藥物測試和療效測定。這種新穎的平臺可以在微觀水平上指導(dǎo)臨床治療，并使患者受益，而無需基于類器官培養(yǎng)技術(shù)的進(jìn)步而需要長時(shí)間的等待。

CAR-T細(xì)胞是經(jīng)過基因工程改造以表達(dá)靶向特定抗原的嵌合受體的 T 細(xì)胞，通過直接的T細(xì)胞毒性來明確識別和消除癌細(xì)胞。腫瘤類器官和CAR-T細(xì)胞的共培養(yǎng)為預(yù)測CAR-T細(xì)胞功效和毒性評估提供了一個(gè)平臺。最近，Chen等人建立了一個(gè)成功的臨床前測試離體技術(shù)平臺，用于共培養(yǎng)模型系統(tǒng)，以評估CAR-T細(xì)胞介導(dǎo)的針對MUC1的膀胱癌類器官的細(xì)胞毒性。腫瘤類器官保留了腫瘤起源的組織學(xué)特征、細(xì)胞多樣性、遺傳異質(zhì)性和突變多樣性。因此，CAR來源細(xì)胞和腫瘤類器官的共培養(yǎng)可以充分捕獲免疫治療的分子和細(xì)胞過程，在預(yù)測治療效果和細(xì)胞毒性方面顯示出巨大的潛力。

癌癥類器官有一個(gè)主要缺點(diǎn)：免疫細(xì)胞和特定類型的腫瘤相關(guān)基質(zhì)細(xì)胞類器官較少。腫瘤類器官共培養(yǎng)模型系統(tǒng)似乎可以解決這個(gè)問題（圖3）。這種方法可能被認(rèn)為更接近TME內(nèi)部發(fā)生的情況。關(guān)于腫瘤相關(guān)細(xì)胞的共培養(yǎng)，CAFs占大多數(shù)腫瘤類器官共培養(yǎng)研究。CAFs作為TME的重要補(bǔ)充，已被證明可以促進(jìn)腫瘤進(jìn)展并促進(jìn)治療耐藥性。

圖3    腫瘤類器官共培養(yǎng)的四種條件綜述。

由于保持異質(zhì)性和TME，CAR-工程淋巴細(xì)胞和腫瘤類器官的先進(jìn)技術(shù)在個(gè)性化醫(yī)療中具有優(yōu)勢。CAR-工程淋巴細(xì)胞結(jié)合類器官在藥物測試、基因組編輯和高通量篩選中的應(yīng)用將是未來的研究方向。然而，由于CAR-T細(xì)胞免疫療法在實(shí)體瘤中的治療效果不如在血癌中的治療效果，這是由于TME中運(yùn)輸不良、持久性有限、浸潤有限以及T細(xì)胞抑制活性有限，因此迄今為止在這一領(lǐng)域的研究很少。因此，有人提出檢查點(diǎn)阻斷抑制劑與CAR-工程細(xì)胞相結(jié)合是一種有前途的實(shí)體瘤治療方法，其類器官平臺可提供環(huán)境的再現(xiàn)。最近，CAR-工程細(xì)胞療法已擴(kuò)展到新型細(xì)胞類型，NK細(xì)胞中CAR的表達(dá)被認(rèn)為是一種更成功的變體。基于腫瘤類器官的共培養(yǎng)系統(tǒng)可以為評估過繼細(xì)胞療法的臨床治療效果提供一個(gè)平臺。此外，必須鑒定特定癌細(xì)胞中改變的表面抗原中的基因突變，為該方法提供主要證據(jù)，以實(shí)現(xiàn)更高的靶向和治療效率。為了擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，需要進(jìn)一步研究建立用于類器官腫瘤研究的各種共培養(yǎng)模型系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：Yuan J, Li X, Yu S. Cancer organoid co-culture model system: Novel approach to guide precision medicine. Front Immunol. 2023 Jan 12;13:1061388. doi: 10.3389/fimmu.2022.1061388. PMID: 36713421; PMCID: PMC9877297.

原文鏈接：pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36713421/

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