类器官——对抗肿瘤好帮手

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近几年来，随着医疗技术的不断进步，人们在一定程度上改变了癌症“不治之症” 的标签。尽管取得了诸多进展，癌症依旧是全世界的一大健康难题。在癌症防治方面，除了预防和早期诊断之外，还需要更多的创新靶向疗法。然而，开发创新疗法并非易事，将创新的基础研究转化为有效治疗方法是癌症治疗过程中的一大瓶颈。

这背后的原因之一，是研究者所使用的癌症模型往往不能很好地再现肿瘤的组织复杂性与遗传异质性。这就导致在癌症模型中取得突破的新药分子，往往会在临床试验中表现差强人意。

近年来，随着3D组织培育技术的发展，全新的癌症模型也逐渐浮出水面。该技术能从组织中分离出干细胞并将其植入三维框架，让它们分化生长成类似于器官的结构——类器官。

什么是类器官?

类器官(organoids)是在体外用3D培养技术对干细胞或器官祖细胞进行诱导分化形成的在结构和功 能上都类似目标器官或组织的三维细胞复合体,其具有稳定的表型和遗传学特征,能够在体外长期培养。它在形成过程中再现了体内器官发生的两个事件,即同类细胞以黏附的方式分类聚集和空间特异性的细胞谱系定型。与传统2D细胞培养模式相比,3D培养的类器官包含多种细胞类型,突破了细胞间单纯的物理接触联系, 形成了更加紧密的细胞间生物通信,细胞间相互影响、诱导、反馈,协作发育并形成具有功能的迷你器官或组织, 能更好地用于模拟器官组织的发生过程及生理病理状态, 因而在基础研究以及临床诊疗方面具有广阔的应用前景。

肿瘤干细胞衍生的类器官

根据干细胞的不同来源, 类器官可分为组织干细胞衍生的类器官、多能干细胞(包括胚胎干 细胞和诱导多能干细胞)衍生的类器官和肿瘤干细胞衍生的类器官三种类型。

在肿瘤研究中,一个重要的难题是许多已经建立的肿瘤模型反应患者真实肿瘤状态的程度较低,许多对肿瘤模型有效的药物最终在临床实践中失败,导致很多肿瘤的基础研究成果难以转化为临床实践。目前广泛使用的肿瘤研究模型包括肿瘤细胞系和人源肿瘤组织异种移植模型PDX(patientderived xenograft)。

这两种模型都有其局限性:肿瘤细胞系在体外培养过程中,肿瘤生长的微环境缺少了细胞基质、非肿瘤细胞等间质成分,会经历对二维培养环境广泛的适应和选择,而且经连续多次传代培养后,其遗传性质可能发生改变,不再能准确反映出原代肿瘤异质性、组织病理表现以及遗传特征;PDX是将患者来源的肿瘤组织移植到免疫缺陷的小鼠体内,依靠小鼠提供的微环境进行生长,相较于肿瘤细胞系,能够保留原代肿瘤的微环境和细胞的基本特性,但是这种模型技术难度大,成本高,培养周期长,限制了它的应用。

类器官的培养方法也可以运用于肿瘤组织的培养,形成肿瘤组织来源的类器官。将取得的肿瘤组织直接培养形成类器官,其可以很好地保持肿瘤的特性。另外,也有报道另一种肿瘤类器官培养方法,即是将患者的肿瘤细胞经重编程为多能干细胞,然后再诱导分化形成与原始肿瘤相同的肿瘤细胞,再经体外3D培养形成类器官。这种方式培养肿瘤类器官的效率取决于癌组织类型或者某种特定的致瘤突变,而且,形成的类器官可能只是肿瘤的亚克隆,失去原代肿瘤的遗传异质性。

肿瘤类器官的培养与成体干细胞来源的类器官培养稍有不同。以人结直肠癌类器官(colorectal cancer organoids)培养为例,因肿瘤组织存在Wnt信号通路持续性激活的突变,培养过程中无需外源性地加入Noggin和R-spondin蛋白,而EGF也并非为所有类型肿瘤组织必需。运用类器官的培养方法,已经有多种癌组织,包括结肠癌、胰腺癌、肝癌、前列腺癌、乳腺癌的类器官被建立。这些培养形成的肿瘤类器官在表型和遗传性质上与原始肿瘤组织十分相像,在探究肿瘤形成的机理及治疗上将发挥巨大的作用。

肿瘤类器官新研究进展

前不久，来自Hubrecht研究所和拉德堡德大学的研究人员开发了一种模型，利用CRISPR基因编辑技术改变人工培养的类器官（organoids，或称微型器官），来研究肝癌中发生的突变基因对肿瘤的形成和恶化中所起的作用。通过这种方法，他们发现一种在肝癌中经常发生突变的基因——BAP1的突变，改变了细胞的行为，使这些细胞更易被侵入。

该研究利用分子剪刀CRISPR/Cas9对来自健康人类肝脏的类器官进行基因修饰，以探索某一基因突变在肿瘤形成中的作用。研究人员Benedetta Artegiani表示：“研究这种突变在肿瘤形成中的作用十分重要——尤其在肝癌研究中，因为肝癌具有强异质性，不同患者体内发现了不同基因的突变、突变类型也各不相同”。这些基因在肿瘤发展中的作用尚不清楚。因此，新开发的模型在研究特定基因，在肝癌形成中的功能时，是一个非常有价值的工具。

该模型被用来研究BAP1基因的功能。大约15%-20%的肝癌患者会发生BAP1基因突变中，其在肝肿瘤发生发展中的具体作用尚不清楚。研究人员发现，与健康的类器官相比，发生BAP1突变的类器官具有非常不同的特征：它们变成固体，生长速度更快，更易运动，并易与类器官融合。这些特征类似于侵袭性更强的恶性肿瘤。

参考资料：

1. Organogenesis in a dish: modeling development and disease using organoid technologies.

2. Next-generation regenerative medicine: organogenesis from stem cells in 3D culture.

3. 类器官的研究进展

4. Long-term expansion of epithelial organoids from human colon, adenoma, adenocarcinoma, and Barrett’s epithelium.

5. https://mp.weixin.qq.com/s/_XMDfVM4sJ31qZ8i9Xdr-Q

6. Ductal pancreatic cancer modeling and drug screening using human pluripotent stem cell- and patient-derived tumor organoids.

7. Patient- derived induced pluripotent stem cells in cancer research and precision oncology.

8. Comprehensive molecular characterization of human colon and rectal cancer.

9. Prospective derivation of a living organoid biobank of colorectal cancer patients.

10. Probing the Tumor Suppressor Function of BAP1 in CRISPR-Engineered Human Liver Organoids