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类器官技术在肿瘤研究中的进展马烁烁，张登勇，马杨，鲁正(蚌埠医学院第一附属医院肝胆外科，安徽蚌埠233000)摘要:类器官是体内组织和器官的微缩模型，真实再现了器官的特定结构和独特功能。无论是正常组织还是恶性组织，都可以建立对应的类器官。类器官技术在肿瘤建模、临床前药物筛选、精准治疗、器官移植等方面有着广阔的研究前景。虽然类器官还不能准确地模拟免疫系统，但已经有文章报道类器官在免疫领域的应用，这为该技术在免疫治疗中的进一步应用带来了希望。肿瘤类器官再现了自然肿瘤发生和转移的病理生理特征，可以充分反映肿瘤异质性和预测体内药物敏感性。此外，肿瘤类器官还可以与器官芯片、3D 打印技术、微流控技术等协同结合，为开发更复杂和优化的模型系统提供了新途径。总之，肿瘤类器官是人类肿瘤研究的一个优秀的临床前模型，促进了从基础癌症研究到临床实践的转化。本文综述类器官技术在肿瘤研究中的应用及发展前景。关键词:类器官;肿瘤;药物筛选;精准治疗中图分类号:7305文献标识码:A文章编号:10017550(2023)01014804基金项目:安徽省自然科学基金(2008085MH256);蚌埠医学院 2021 年度研究生科研创新计划(Byycxz21084)作者简介:马烁烁(1994)，男，硕士研究生，研究方向:肝胆胰腺常见疾病的诊断及治疗。通讯作者:鲁正，主任医师，研究方向:肝胆胰腺常见疾病的诊断及治疗。肿瘤是一种具有广泛类型和亚型的异质疾病，能够充分反映肿瘤异质性和预测体内药物敏感性的肿瘤模型是研究的热点。永生化的肿瘤细胞系和患者来源的异种移植模型是癌症研究和抗癌药物筛选中最常用的模型，但因为遗传不稳定、缺乏肿瘤微环境等缺点，导致了广泛的临床试验失败。类器官模型作为一种新型的肿瘤研究模型，与传统的肿瘤研究模型相比具有显著的优势，它不仅保持了原发肿瘤的异质性，在表型和遗传上更加稳定，而且适用于各种实验工具，包括单细胞转录组学、基因编辑和标记、异种移植、免疫细胞共培养等。因此，类器官技术在癌症模型、评价药物的疗效和毒性、再生医学，精准治疗等方面拥有巨大的潜力。本文简单介绍类器官的发展历史，重点介绍类器官在肿瘤研究中的作用，探讨类器官在肿瘤研究中的局限性及前景。1研究常用模型在人类癌症研究中，常用的模型是永生化的肿瘤细胞株、患者来源的异种移植模型(patient derivedxenograft，PDX)和患者来源的类器官模型(patientderived organoids，PDOs)。11肿瘤细胞株肿瘤细胞株因其无限增殖、成本低、使用方便等特点，已广泛应用于药物候选物和癌症生物标志物的高通量筛选。然而，目前只能从有限数量的癌症亚型构建癌细胞株。此外，在长期培养的过程中，包括与增殖、炎症、癌间质相互作用等相关的表型异质性会逐渐丧失，而这是肿瘤异质性和分型的主要指标。在过去的几十年里，科学家们已经产生了大量的肿瘤细胞株来研究癌细胞的增殖、迁移和药物反应。传统二维细胞培养模型在肿瘤细胞生物学中得到了广泛的应用，目前仍是抗癌药物研发的支柱。然而，因为 2D 细胞培养在遗传特性上的缺陷，这些潜在的针对癌症的新药很少能通过临床试验。12PDXPDX 通过将患者的肿瘤组织植入免疫缺陷的小鼠身上来构建 PDX 模型。PDX 能够保留原发肿瘤的分子形态特征，并能揭示原发肿瘤的异质性。PDX 也可以在体内再现复杂的癌基质相互作用。PDX 已被证明可以预测临床结果，并被用于临床前药物试验和个性化医疗策略。然而，PDX 在一些癌种中构建成功率比较低，如前列腺癌和雌激素受体阳性乳腺癌。其次，PDX 构建周期长，这种时间延迟限制了 PDX 对实时患者治疗的适用性。此外，价格昂贵、免疫环境缺陷、不能进行基因操作和高通量药物筛选等缺点也限制它的使用。13PDOsPDOs 可以从手术切除、活组织检查、解剖或人工流产获得的健康或患病人体组织中建立。患者来源的组织被消化成单细胞或团簇(直径小于100 M)，移植到具有特定生长介质的基膜，几周内可以形成类器官。肿瘤类器官在组织学、转录8412023 年 02 月牡丹江医学院学报Feb.2023第 44 卷第 1 期JournalofMuDanJiangMedicalUniversityVol.44No.12023DOI:10.13799/ki.mdjyxyxb.2023.01.030和遗传学上高度保留了原发肿瘤的特征。因此，可以模拟肿瘤细胞系和 PDX 不能模拟的临床相关药物反应，也可以显示肿瘤对不同治疗的临床前反应的实质性差异。此外，还可以使用基因编辑技术对类器官进行改造，有利于研究肿瘤发生机制1 和肿瘤免疫逃逸2。目前，已经产生了多种 PDOs，包括肝脏、结肠、胰腺和前列腺癌类器官等等。类器官培养已经进化到更精确地模拟癌症组织，包括与基质细胞共培养，如成纤维细胞或免疫细胞。然而，耗时、成本高、且不是所有的肿瘤类型都适合建立类器官模型等缺点限制类器官的发展。因此，对 PDOs还需要进一步的探索。2类器官的发展历程传统的二维(2D)细胞系培养和 PDX 长期以来一直被用作肿瘤模型，并为癌症研究做出了巨大的贡献。然而，这两种模型存在许多缺陷，阻碍了其临床应用。在形态和突变特征方面，PDOs 与来自匹配患者的肿瘤具有高度的一致性，并且与癌症基因组图中包含的突变图谱的分布相似。因此，PDOs在一定程度上可作为肿瘤研究的一种新的参考工具。2009 年，Sato 团队3 成功地在体外用 LG5 肠干细胞培养出小肠的潜穴 绒毛结构。随后，结肠、肝脏、胰腺、前列腺、子宫等组织的类器官相应被开发出来。但是，这种类器官多来源于上皮细胞，缺乏其他肿瘤成分及肿瘤微环境。近年来，随着技术的进步，类器官模型逐渐完善。Ye 等4 让肿瘤类器官与非肿瘤细胞或人诱导多能干细胞诱导的类器官一共培养，弥补了肿瘤类器官中其他非肿瘤细胞成分的缺失。BarEphraim 等5 将肿瘤类器官和免疫细胞共同培养，研究肿瘤细胞和免疫细胞之间的相互作用。非上皮性类器官，如恶性胶质瘤和肾横纹肌样肿瘤等也逐渐被构建起来。此外，类器官还与3D 打印技术、器官芯片、基因编辑技术、微流控技术等协同作用，在肿瘤建模、药物开发和筛选、精准治疗等方面发挥重要的作用。3类器官在肿瘤研究中的作用31肿瘤建模311感染肿瘤模型胃癌中的幽门螺杆菌、胆囊癌中的肠炎沙门氏菌、HCC 中的肝炎病毒、鼻咽癌中的疱疹病毒(EBV)等传染性病原体，与癌症的发生发展密切相关。通过与不同病原菌共培养系统，类器官可以作为研究这些过程的优秀模型。Scanu 等6 为了研究伤寒沙门氏菌感染与胆囊癌之间的联系，构建小鼠胆囊类器官，并发现肠道伤寒沙门氏菌可以引起上述类器官的恶性转化，证实了伤寒沙门氏菌是胆囊癌的致病因子。遗憾的是，该实验没有扩展到人组织源性类器官。Yin 等7 从小鼠或人肠道组织成功培养出肠上皮类器官，来研究患者来源的轮状病毒株的感染和抗病毒治疗，他们发现人体类器官有效地支持患者源性轮状病毒株的感染，并有可能用于抗病毒药物疗效的个性化评估。总之，类器官为研究感染性微生物与宿主的相互作用和评估相关治疗药物提供了一个可靠的模型系统312遗传肿瘤模型基因突变的积累在肿瘤的发生中扮演着重要的角色，了解肿瘤进展的突变特征具有重要意义。通过 CISPCas9 等基因编辑技术，在肿瘤类器官中引入或删除某些基因，可以实现健康类器官向肿瘤类器官的转化，研究肿瘤驱动基因在肿瘤发生过程中的作用。Matano 等8 研究肿瘤驱动基因作用时，使用 CISPCas9 基因组编辑系统，构建了肿瘤抑制基因 APC、SMAD4 和 TP53以及癌基因 KAS 和/或 PIK3CA 突变的类器官。结果发现，TP53、KAS 等基因的联合突变可以促进肠道类器官的恶性转化发生，而单独突变并不足以诱导结肠肿瘤发生。在另一项关于 P4H1 亚基在三阴性乳腺癌(TNBC)中作用的研究中，Xiong 等人9 利用异种移植模型和患者源性类器官模型发现，抑制 P4HA1 可使 TNBC 对化疗药物多西他赛和阿霉素敏感，靶向 P4HA1 是一种潜在的治疗策略。综上所述，类器官有助于在基因水平上，以一种更接近生理状态的方式探索肿瘤的发生机制和治疗策略。313类器官转移模型癌症转移是指癌细胞从原发部位向其他器官扩散的过程，是导致癌症患者死亡的主要原因。肿瘤类器官被用来作为一个优化的模型系统来揭示集体入侵的潜在机制。有研究发现，具有染色体不稳定性(CIN)和肿瘤发生驱动途径突变的类器官在移植到小鼠时能够形成大型转移性肿瘤。在研究乳腺癌的侵袭行为时，Chandhoke等10 在以乳腺癌类器官为研究对象的实验中指出，E3 泛素连接酶 Smurf2 以一种类泛素化依赖的方式抑制 MDAMB231 人乳腺癌细胞来源的类器官的侵袭行为。而 Gao 等11 在研究中指出，非典型DD1 信号通路使乳腺癌细胞能够利用无处不在的间质基质成分 I 胶原蛋白在多个靶器官进行转移性再激活。他们的研究为肿瘤的新生标志物和靶向治疗方法的发展奠定了基础。9412023 年 02 月牡丹江医学院学报Feb.2023第 44 卷第 1 期JournalofMuDanJiangMedicalUniversityVol.44No.12023314其他此外，肿瘤预后模型、肿瘤凋亡模型等模型也被应用于肿瘤研究中。总之，类器官在肿瘤研究的建模中扮演重要的角色，无论是肿瘤的诱因、转移机制等分子机制的探究，还是治疗靶点预测等临床实践，都为研究者更好的理解肿瘤的发生发展机制及可能的治疗策略提供莫大的帮助。32药物筛选类器官是一种接近生理结构的肿瘤，保留了原发肿瘤的特定功能，并能忠实地再现药物反应，填补了基于经典 2D 细胞系的药物筛选和临床试验之间的空白。目前，类器官已被用于药物研发、药物毒性检测、大通量药物筛选、药代动力学研究等领域。在高通量药物筛选方面，Driehuis 等人12 对来自胰腺肿瘤的 30 个病人来源的类器官中 76 种药物进行了测试，结果 PMT5 抑制剂 EZP015556 是一种潜在的药物，可以抑制 MTAP 阴性肿瘤。更重要的是，他们构建的包含 30 个胰腺肿瘤类器官的数据库，为其他药物的筛选提供了平台。Kondo 等13 报道了一个先进的系统，使用癌症组织起源的类器官，高通量筛选 2 427 种药物，而结直肠癌类器官对这些化合物的敏感性不尽相同，这为个体化治疗奠定基础。此外，芯片类器官可以模拟肿瘤的微环境，进行大规模药物筛选，实现多器官和组织的相互作用。一项在肺癌类器官芯片中研究发现，肺癌细胞侵入血管通道，迁移到远处的肝、骨或脑芯片14。综上所述，患者来源的肿瘤类器官培养是反映临床异质性的重要模型，揭示了目前尚未在临床开发的药物敏感性，并强调了个性化方法对有效癌症治疗的重要性。在药物功效测试方面，研究者发现类器官癌准确再现了高敏感性胃肠癌的治疗反应、特异性、阳性预测值和阴性预测值。Kita 等15 制作了人胃癌和小鼠胃癌的类器官模型，模拟了人胃癌的典型特征和异常激活信号通路改变的途径。通过对人胃癌类器官进行药物筛选，确定了对传统化疗药物的不同反应的类器官，包括 5氟尿嘧啶(5FU)、伊立替康、表柔比星、奥沙利植物素和多西他赛。药物对模型中异常激活通路的成功干扰，证明了类器官作为治疗反应测试模型的潜在用途。在药物动力学方面，Onozato 等16 用人诱导多能干细胞构建具有药代动力学功能的肠类器官。当暴露于小分子化合物时，类器官中肠道标志物和药代动力学相关基因的表达显著增加。此外，研究者还检测到药物转运体的表达以及核受体配体对药物代谢酶 CYP3A4 的诱导。总之，Onozato 等的研究，构建了以肠道类器官为核心的药代动力学评价系统。在药物毒性检测方面，正常的类器官可以用来筛选专门针对肿瘤细胞而不伤害健康细胞的药物。Kostadinova 等17 在体外构建了大鼠和人的三维肝脏类器官模型，在与选定的肝毒性药物孵育后，研究者指出，与单层肝细胞培养相比，该模型更好地检测药物诱导毒性，包括物种