膀胱癌类器官模型的研究进展.pdf

综 述文章编号（23）5-0564-04膀胱癌类器官模型的研究进展孙晓宇，张志宏 综述，张昌文 审校（天津医科大学第二医院泌尿外科，天津300211）摘要膀胱癌（BC）是泌尿外科常见恶性肿瘤之一，患者术后5年生存率较低。近年来，新兴的三维类器官模型在抗肿瘤药物筛选和疾病机制探索等方面为膀胱癌研究带来了极大推动。本文对膀胱癌类器官模型的建立、应用、面临的挑战进行了综述，并对未来应用进行了展望。关键词类器官；膀胱癌；肿瘤研究；3D肿瘤模型中图分类号R694文献标志码膀胱癌是一种高度异质性的恶性肿瘤，其中3/4为高复发率、预后较好的非肌层浸润性膀胱癌（non-muscle invasive bladder cancer，NMIBC），1/4为高转移率、预后较差的肌层浸润性膀胱癌（muscleinvasive bladder cancer，MIBC）1。尽管如今基于肿瘤分子分型进行靶向治疗或者免疫治疗等方面取得了极大进步，但近30%的NMIBC进展为MIBC，患者5年总生存率（overall survival，OS）仅为50%2。这与膀胱癌的高度异质性、较高的复发转移率和耐药性有关。随着精准医疗的不断发展，亟需建立更有针对性的个体化治疗体系，新兴的体外三维培养类器官模型应运而生。类器官是将胚胎干细胞（embryonicstem cells，ESCs）、诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）或成体干细胞（somatic stemcells，SSCs）经过体外培养基培养，干细胞通过自我组 织形式形成多种细胞类型组 成的三维器官型结构3-5。与传统的二维肿瘤细胞系及人源肿瘤异体移植瘤（patient-derived xenograft，PDX）模型相比，类器官模型可以很好的保留肿瘤组 织的异质性和更真实的肿瘤微环境，为肿瘤研究提供了良好的临床前模型6。本文重点介绍膀胱癌类器官模型的研究进展，讨论其不足以及对 未来应用前景进行展望。1膀胱癌类器官模型的建立自2009年Sato等7利用富含亮氨酸重复序列的G蛋白耦联受体5（leucine-rich repeat containing G protein-coupled receptor 5，Lgr5）阳性的肠道干细胞在添加Wnt通路激动剂R-spondin、转化生长因子-（transforminggrowthfactor-，TGF-）抑制剂Noggin、表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）等生长因子的基质胶培养基中培养出具有隐窝绒毛结构的肠道类器官后，类器官技术有了突破性的进展。胃8、汗腺9、大脑10、乳腺11等人源类器官逐步建立。近5年基于膀胱癌类器官模型的研究也相继发表（表1）。除了人源性膀胱癌类器官外，PDX类器官也已构建成功12-19。2018年Lee等12建立了22个膀胱癌类器官系组 成的膀胱癌类器官生物样本库，并通过外显子及全基因组 测序证实了膀胱癌类器官与原发肿瘤组 织病理学特征、体细胞突变和DNA拷贝数改变等特征保持高度一致。同时在一定程度上阐述了膀胱癌类器官自身的进化特点，为膀胱肿瘤异质性研究提供了参考。2019年，Mullenders等20从53例患者样本中培养成功133个膀胱癌类器官，并发现成纤维细胞生长因子（FGF）7和FGF10可以促进膀胱癌类器官的增殖，进而对 培养基进行了优化。人类癌症模型组 织（Human CancerModels Initiative，HCMI）建 立 了 类 器 官 生 物 库（https：/ocg.cancer.gov/programs/HCMI），可获取现有类器官的基因和临床信息。2膀胱癌类器官模型的应用2.1肿瘤机制研究Shen等27利用膀胱癌类器官模型联合体外和体内实验探索了磷酸甘油酯脱氢酶（phosphoglycerate dehydrogenase，PHGDH）的生物学功能，并验证了PHGDH可与聚结合蛋白2（poly（rC）-binding protein 2，PCPP2）相互作用，上调溶质载体家族7成员11（recombinant solute carrier family 7 member 11，SLC7A11）表达，促进膀胱癌的恶性进展。Wang等29建立了CRISPR-Cas9基因编辑的膀胱癌类器官模型用以研究膀胱肿瘤耐药问题，得出通过靶向组 织蛋白酶H进行分化是治疗化疗耐药性MIBC的潜在治疗策略。Vlaar等18借助膀胱癌基金项目 国家重点研发计划项目（2 0 2 1 Y F C 2 0 0 9 3 0 3）作者简介 孙晓宇（1 9 9 5-），男，博士在读，研究方向：泌尿肿瘤疾病;通信作者：张昌文，E-m a il：z h a n g c h a n g w e n 0 5 1 6 3.c o m。天津医科大学学报Journal of Tianjin Medical University第29卷5期23年9月 29熏 5Sep.23564细胞来源PDX膀胱肿瘤组织，PDX膀胱肿瘤组织膀胱肿瘤组织，PDX膀胱正常和肿瘤组织膀胱正常和肿瘤组织膀胱肿瘤组织膀胱肿瘤组织膀胱肿瘤组织PDX膀胱肿瘤组织，PDX膀胱肿瘤组织PDX膀胱肿瘤组织PDX肾盂、膀胱肿瘤组织膀胱肿瘤组织，PDX培养基DMEM/F-12，B27，EGF，bFGFHepatocyte，medium Glutamax，EGF，ROCKi，FBSDMEM/F-12，Glutamax，BSA，-metDMEM/F-12，Glutamax，BSA，-metAdv DMEM/F-12，B27，Nac，NAM，A83-01，FGF2/7/10，ROCKiAdv DMEM/F-12，Glutamax，HEPES，B27，Nac，NAM，A83-01，EGF，ROCKiAdv DMEM/F-12，B27，Nac，NAM，A83-01，FGF2/7/10，HER3，ROCKiDMEM/F-12，Glutamax，BSA，bFGF，ROCKiAdv DMEM，Glutamax，HEPES，B27，Nac，NAM，A83-01，EGF，ROCKiRPMI-1640，FBS，L-glut，neaaDMEM/F-12，Glutamax，StemPro，BSA，-metAdv DMEM/F-12，Glutamax，HEPES，B27，Nac，NAM，A83-01，R-spondin，Noggin，EGF，FGF2/10，SB202190Adv DMEM/F-12，B27，NAC，A83-01，R-spondin，Noggin，EGF，ROCKiDMSO mediumDMEM/F-12，HEPES，Glutamax，penicillin，streptomycin，Nicotinamide，N-Acetylcysteine，FGF7/10，A83-01，B27，primocinHCM enriched by 5%charcoal-stripped FBS，Sigma-Aldrich，Chemie，Taufkirchen，Germany，Y-27632DMEM/F-12，FGF2/7/10，B27，A83-01，N-acetylcysteine，nicotinamide类器官数量2224877942227323未提及75?参考文献Ooki等13Lee等12Yoshida等21Kita等14Mullenders等20Kim等22Whyard等23Namekawa等24Yoon等25Amaral等15Murakami等16Yu等26Cai等17Shen等27Vlaar等18Wei等28Rangsitratkul等19表1膀胱癌类器官模型的文献回顾类器官模型证明了异常芳烃受体（aryl hydrocarbonreceptor，AHR）信号转导是尿路上皮肿瘤发生的重要驱动因素。这些研究都为人们进一步理清膀胱癌发病和耐药等过程中关键基因的功能提供了重要线索。2.2抗肿瘤药物筛选膀胱癌类器官模型具有高保真特性，是药物测试的极佳模型。Mullenders等20用3个膀胱癌类器官系暴露于6种针对 膀胱癌一线化疗药物中，验证了不同膀胱癌类器官其敏感化疗药物不同。Kita等14同样验证了膀胱癌类器官的药物敏感性与PDX平行，类器官模型在快速建立、低成本和技术可行性等方面显示出重要优势。除了对 化疗药物进行敏感性检测外，Neal等30建立了一种气-液界面（air-liquid interface，ALI）培养类器官模型的方法来保留免疫细胞，可在7 d内对 免疫治疗药物的功能测试。证实了在膀胱癌类器官模型中模拟肿瘤免疫微环境和对 免疫检查点抑制剂的反应是可行的。Yin等31建立了一种包含免疫微环境的肿瘤样细胞簇模型，可在14 d内完成抗肿瘤药物筛选。2.3生物打印近几年3D生物打印技术日益成熟，促进了膀胱癌类器官模型不断优化。Kim等22利用3D打印技术，组 建了包含肌肉层、肿瘤相关成纤维细胞、内皮细胞、免疫细胞的膀胱组 装体（assembloids）。通过该组 装体验证了FOXA1-BMP-hedgehog信号轴在肿瘤和基质之间控制肿瘤可塑性的重要作用。Yoon等25利用压电喷墨打印（piezoelectric inkjetprinting，IJP）技术，将膀胱癌类器官解离成单个肿瘤细胞制备为生物墨水，通过喷墨打印将单个细胞精确地分配到微孔板中培养成类器官。验证了IJP技术可以有效的对 细胞进行分类，对 肿瘤异质性研究具有重大意义。2.4微流控技术Gheibi等32使用75 m微流体装置可以在较长时间内维持BC细胞，并成功验证了膀胱癌类器官模型的药物反应性和耐药性。罗升昌等33借助微流控技术构建支架系统，进行了肿瘤类器官的血管化及多细胞共培养模式的探索，为类器官模型的工程化提供了宝贵经验。2021年，Serex等34将微流控技术和生物打印技术相结合，建立了一种能够实时调节细胞浓度的微流控打印头，打印出了标准化的膀胱癌类器官，获得了可靠和可重复的结果。3膀胱癌类器官模型的挑战3.1规范标准的培养体系目前全球类器官模型研究团队大多采用从小鼠肉瘤中提取的基质胶作为类器官的三维培养基质，但其各组 分却各有特点，且具有潜在的免疫原性。因此难以通过一个统一的评价体系去定性定量。有多个研究报道了在肿瘤类器官模型的构建过程中，正常细胞的生长速度和数量超过了肿瘤细胞，在后续传代中肿瘤类器官甚至消失35-37。因此亟孙晓宇，等.膀胱癌类器官模型的研究进展第5期565需高选择性的培养基，实现目标类器官的快速生长。我国今年发布了 肿瘤类器官诊治平台的质量控制标准中国专家共识（2022年版38，类器官药物敏感性检测指导肿瘤精准治疗临床应用专家共识（2022年版）39。两部共识初步制订了肿瘤类器官质量及药敏检测相关标准。不同疾病类器官模型有其特有的特点，目前尚未有专病类器官模型的相应规范。3.2血管化及共培养体系尽管目前膀胱癌类器官在药物研发、药敏检测等领域显现出独特的优势，但缺乏维持肿瘤生长的血管系统、免疫细胞等是其很大的局限。目前已有多个共培养体系报道6，40-41，但仍不能完全模拟体内肿瘤微环境。除了血管系统，Carroll等42探索通过类器官模型在体外模拟神经系统。目前多个领域专家在共同研发含多传感器的类器官芯片平台，努力将生物力学及体内微环境融入到集合类器官模型中。4膀胱癌类器官模型的展望首先，膀胱癌类器官模型在肿瘤机制探索、新药研究等方面是一种绝佳的临床前模型。实验动物因其价格昂贵、转运困难及福利运动等多方面因素越来越受到制约，在未来类器官模型代替动物模型是一种趋势。2022年9月29日，美国参议院通过了食品药品监督管理局（food and drug administration，FDA）现代化法案（FDA Modernization Act 2.0），允许药物研究在可行的条件下使用替代方法。类器官模型将为未来制药行业和临床试验