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肿瘤类器官：为患者“替身”试药，助力精准医疗

2024-06-13 点击量：1091

类器官 VS 组织样本 VS 动物模型

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对于肿瘤患者而言，

眼花缭乱的抗癌药该怎样选择？

明明一样的肿瘤，

为什么有的患者可以用这类药，

有的患者却不行？

类器官肿瘤药筛模型似乎给患者带来了希望。科学家们可以在实验室培育出源自人类肿瘤的类器官，用于测试癌症药物，从而预测患者对药物的反应。类器官技术可在疾病的各个阶段，快速检测出最适合患者的药物治疗方案，降低药物毒副作用、耐药风险和肿瘤复发几率，在避免“走弯路”的同时减轻患者的经济负担。

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类器官概念

类器官（Organoids）指利用成体干细胞或多能干细胞进行体外三维（3D）培养而形成的具有一定空间结构的组织类似物。尽管类器官并不是真正意义上的人体器官，但能在结构和功能上模拟真实器官，能够最大程度地模拟体内组织结构及功能并能够长期稳定传代培养（因此也被称为“微型器官”）。

早在2009 年，Hans Clevers 实验室使用单个LGR5 +肠干细胞在体外自组织成具有肠隐窝 - 绒毛结构的肠类器官，这是首个体外自组织的微型器官。也因此，Hans Clevers 被誉为 “国际类器官鼻祖”。

图片来源：Hans Clevers, Nature, 2009

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类器官药筛模型

肿瘤类器官能够在体外高度模拟病人原位肿瘤，这就可以在短时间内高效开展药敏检测，模拟患者对药物的反应，这相当于在药物进入人体前，可以先在与人体内相似的类器官上进行提前试药，以找到对该患者的最佳治疗方案。因此，类器官被形象地称为患者的 “替身”。

一个关键问题，为什么不继续使用现有2D细胞模型或PDX药筛模型？

因为2D细胞模型虽然可以在体外进行扩增，但是与人体差异较大，且传代后的细胞会丧失肿瘤异质性。而用人源化小鼠模型（PDX）进行药物的筛选成功率较低，测试周期也较长（通常需要6~8个月才能出结果），且不具备高通量使用的优势。肿瘤类器官作为新型药筛模型具有速度快、通量高、临床相关性强的特点。2018年《Science》杂志报道了首个肠癌类器官药敏临床疗效观察试验，并获得了88%的阳性预测值和100%的阴性预测值的结果，展现了极强的临床相关性。

肿瘤临床药筛模型必须能满足三大要求包括：需要在短时间内出具药敏检测结果、药物筛查通量高、预测效果准确。而类器官都显现出了强劲优势。

速度快：类器官构建成功率高，培养速度快。常规来说，在类器官培养一周之后就可以进行药筛。从样本采集到出具药敏结果的全流程已经可以很好地控制在2周之内。
通量高：利用类器官不仅可以在孔板上进行多种药物的筛查，每个药物还可以测试不同的浓度，多个实验平行开展。
临床相关性强：类器官用于癌症药筛的临床相关性和预测有效性在多篇研究中都已经得到了较为充分的证实。Vlachogiannis G团队在Science发表了肿瘤类器官体外药敏测试指导临床用药的里程碑式研究，在71位转移性胃肠道癌提取了110份组织构建了类器官，共测试了55种抗癌药物。研究结果显示，类器官药筛达到了93%的特异性，100%的灵敏度、88%的阳性预测率和100%的阴性预测率，展现了极高的临床相关性。

表1.药筛模型对比（奇迹之光整理）

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肿瘤类器官药敏检测流程

肿瘤类器官进行药筛的流程，包括类器官的构建、评估、药敏检测三大方面。

▉ 类器官的构建：

样本来源通常为肿瘤组织或者胸腹水等恶心积液，样本经消化或离心、过滤后分离出肿瘤细胞，然后选择合适的生物材料或者基质胶作为3D培养的细胞外基质，通过模拟肿瘤细胞基质环境进行培养。最后形成体外类器官模型。

类器官培养特有的重要试剂包括消化液、培养基、基质胶等，这些试剂在不同的实验室及培养不同的肿瘤类器官之间的差异较大。

培养过程中添加的生长因子组合需要进行仔细考量，否则失之毫厘，谬以千里。

杭州市肿瘤医院肿瘤研究所经过多年的条件探索与优化已成功建立肺癌、乳腺癌、肝癌等类器官。相关研究成果已成功申请到题为“肿瘤类器官培养试剂盒与高精度类器官显微成像仪研发”的杭州市科技重点项目。

显微镜下的肺癌和乳腺癌类器官

▉ 类器官的评估：

主要目的是确定类器官和原肿瘤的一致性。本院肿瘤研究所与病理科合作，运用组织病理学染色和基因测序的方法对培养的类器官与原代肿瘤标本进行对比，显示构建的类器官依然保留着原肿瘤的特性。

组织病理学染色（左）和基因测序（右）

▉ 类器官的药敏检测：

类器官目前可筛选的药物种类包括化疗药、小分子靶向药、抗体药物等。通过检测药物的IC50和细胞抑制率，来预测对肿瘤抑制效果最好的药物或药物组合。

目前，该团队已在中国临床试验注册中心注册“基于类器官技术的肿瘤患者个体化治疗研究”的观察性研究项目，该临床项目的研究过程中发现多个病例的药物敏感性结果与临床疗效一致。

今后，还将构建出多种肿瘤的生物信息库平台，并利用类器官模型库进行大规模药物候选分子的敏感性检测，建立药效学和临床用药信息数据库，这将加速癌症患者精准化、个体化治疗的进程。

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类器官临床应用的困境

目前，大多数类器官本身不具备血管化结构和免疫环境，因此无法预测抗血管生成类和免疫类药物。且目前的类器官仅能检测出药物对于肿瘤的抑制效果，对于其他器官是否存在副作用和安全性风险并不能做出预判。

类器官临床应用的困境：

血管化。目前大多类器官本身并不具备血管化的结构。因此，随着类器官体积的增长，类器官受限于氧气的缺失以及代谢废物的增加，可能导致的组织坏死。已有研究构建血管内皮细胞微环境的肿瘤类器官，将类器官肿瘤细胞和血管内皮细胞在Matrigel上共同培养，生成血管结构以期解决类器官血管化缺失的问题。
免疫化。血管化以外的难点还包括模拟肿瘤和免疫环境的相互作用关系。2019年Nature Protocol发表了肿瘤类器官和免疫细胞共同培养的相关protocol，可以体现和模拟出肿瘤微环境的部分特征。以上皮类器官和免疫细胞共培养模型为例，可通过在培养基中添加活化的免疫细胞、在组织消化成单细胞后和免疫细胞共同生长、添加ECM中的重组细胞因子等方法重塑类器官和免疫细胞的相互作用。
系统化。相比于单个类器官，类器官系统的构建能够对药物疗效和潜在毒性做出更完整全面的评估。目前类器官仅能检测出药物对于肿瘤的抑制效果，对于其他器官组织是否存在其他副作用和安全性风险并不能做出预判。

为了解决这些问题，科学家们一直在努力，血管化、具有免疫微环境的类器官的研究从未停止。有朝一日，如果这些特征都能在周期可控的情况下实现，类器官药筛将能提供范围更广、更加准确的答案。

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文末小结

类器官技术，可以在2周的时间内进行肿瘤药物筛选，为患者提供准确可靠的用药指导建议。在时效性、可筛药物通量、临床相关性等参数方面明显优于其他药物模型。

目前，类器官技术在临床产业化应用尚且处于小荷才露尖尖角的状态，国内外真正具备培养和鉴定类器官及开发类器官药筛的公司数量并不多，产业化的推进还需要解决成本、标准化等限制性因素。随着行业规范的完善和更多临床数据的积累，类器官药筛应用在临床上的广泛开展未来可期。

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