类器官3D培养技术在肿瘤中的应用及发展前景

摘要：随着癌症研究的不断深入，传统的肿瘤模型已无法满足科研人员的研究需求，建立与肿瘤组织生理特点更类似的临床前诊断模型为肿瘤治疗提供了新的手段。类器官（Organoid，也叫拟器官）属于体外培养的三维（3D）细胞培养物，其结构和功能特性与其来源组织和器官高度相似。虽然类器官技术在研究界的广泛应用依然处于起步阶段，但是其应用前景是不可估量的，该综述将简要介绍类器官培养技术在肿瘤研究中的研究现状及应用前景。

关键词：类器官；肿瘤；3D培养

PART-01

类器官概述

类器官是由干细胞驱动而以自我组装的方式构建形成的 3D 细胞复合体，能够模拟人体器官的结构和功能［1］。类器官的3D培养是指将分离出的干细胞植入含多种生长因子的基质胶中，在体外适宜的条件下进行培养，形成能够自主更新、分化且与目的器官功能相似的三维复合体。

2014年，类器官的概念被 Lancaster 和 Knoblich 首次提出［2］，科学家们研究了不同组织来源的类器官，设计出最适合其生长的培养环境，实现了类器官的体外长期培养。类器官模型来源于肿瘤组织，能较好的保存肿瘤的相关特性，可用于肿瘤发病机制的研究、药物筛查、患者个性化治疗等各个方面，相比传统的研究模型具有建模时间短、经济实惠及更接近原肿瘤特点等优势，为揭示癌症的发病机制, 研发癌症的防治药物提供了可靠的模型参考。

PART-02

类器官在肿瘤中的应用

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1. 研究肿瘤的发生、发展机制

干细胞来源的类器官的形成可以呈现细胞癌变的整个过程, 而来源于同一患者不同肿瘤组织所形成的类器官具有差异, 这表明类器官可以表示出肿瘤组织特有的基因型与表型，通过直接干预类器官中存在的某些特定分子, 可用来研究其促进或抑制肿瘤发生、发展的作用及背后的机制。

幽门螺杆菌(Helicobacter pylori, HP)感染被认为是诱导胃炎癌变的最重要危险因素^[3]，通过向类器官上皮空腔内微注射HP, 模拟宿主与病原的相互作用, 为揭示HP在癌症转化过程的作用提供了有力证据。在实验中，将HP微注射到具有极性上皮结构的三维类器官空腔中, 可以更好地模拟胃中HP感染后的病理变化^[4]。

NADAULD等^[5]采用小鼠胃类器官培养系统, 通过敲低转化生长因子β受体2(transforming growth factor beta receptor 2, TGFBR2)的表达, 证明TGFBR2是诱发弥漫性胃癌转移的重要驱动分子。2017年，Broutier等^［6］将3种不同亚型的原发性肝癌，包括肝细胞癌、胆管癌、混合型肝癌进行类器官培养，去除了Ｒ-spondin-1，Noggin和Wnt3a，但补充了地塞米松和Ｒho激酶抑制剂，成功证明了肝癌类器官能够保留原始肿瘤的组织学结构及基因组构成。

通过对胆囊癌类器官的测序结果分析可知^［7］，胆囊癌中高表达的睫状神经营养因子受体通过抑制MAPK/ERK通路中ERK的磷酸化，减少基质金属蛋白酶1和10的表达，而这两种蛋白酶在促进肿瘤的侵袭和转移起重要作用，揭示了睫状神经营养因子受体可抑制胆囊癌细胞的转移，这有助于进一步对肿瘤组织的形成，为后续药物设计奠定基础。

2. 药物设计、筛选和精确治疗

药物筛选是选用多种检测方法测试候选药物或化合物库以期获得目的药物的方法, 涉及药物的活性检测、安全性评价以及毒性测试，肿瘤类器官极大地上保持了原有肿瘤的相关生物学特性，因此能够通过对患者的类器官进行体外研究来设计药物，制定个性化的治疗方案。研究表明，通过分离培养癌症患者类器官构建胃癌类器官生物样本库, 具有成本较低、时间较短且比肿瘤异种移植模型更适合基因操作等优势, 可用于大规模的高通量药物筛选, 是实现药物精确治疗的有效途径。

Zheng等人^[8]通过对肝癌不同细胞亚群的单细胞基因组测序后发现, 肿瘤干细胞的异质性会导致肿瘤的异质性, 因此构建肿瘤类器官是研究肝癌的有力工具，通过寻找肝癌干细胞的靶点，从而开发靶向药物有望成为肝癌治疗的有效手段。

Wetering 等人^［9］建立了大肠癌生物库，该库能够根据不同患者自身的特异性，对药物进行筛选，实现精准治疗。研究表明，通过患者自身来源的肿瘤类器官，测试药物的敏感性和毒性，有助于对患者进行有效的针对性治疗。

恶性腹水与腹膜转移癌是晚期胃癌的常见表现, 然而一直缺乏能够准确模拟腹水恶性细胞特性的体外模型。研究者们通过类器官培养技术构建了11位癌症患者恶性腹水肿瘤细胞来源的类器官, 采用免疫组化分析、全外显子测序等手段对肿瘤细胞进行分析后，发现这些类器官具有不同的生长特性、形态及基因组特征, 表现出针对化疗的异质性, 可用于药物筛选^[10]。

Driehuis等^[11]研究揭示了头颈部鳞状细胞癌细胞类器官的培养条件,成功建立了头颈肿瘤类器官的活组织生物库，保留了原代肿瘤的许多特性，这些类器官模型可以检测患者体内的药物敏感性，且有望成为头颈恶性肿瘤精确治疗的有用工具。

3. 病理研究

类器官模型可用于特定肿瘤表达的分子标志物筛选、癌症病人分级分期、预后的推测以及治疗方案的制定，有助于推进肿瘤组织病理研究 发展。Gendoo 等^［12］建立了患者来源的胰腺导管腺癌异种移植模型和类器官模型，并对其进行全基因组测序，证实了类器官模型可用于分子标志物筛查及患者预后的判定。

Saito 等^［13］也建立了人肝内胆管癌、胆囊癌和 Vater 壶腹神经内分泌癌类器官，确定 SOX2、KLK6 和 CPB2 可作为胆管癌患者的预后生物标志物。针对不同肿瘤所表达的不同分子标志物，分离患者肿瘤细胞进行类器官培养，能够判断癌症病人分级分期且筛选出最适合的治疗药物。同时，利用类器官模型能够对肿瘤的发展进行有效的实时观测，便于及时修改治疗方案，同时也能够对长期使用某种治疗药物而产生耐药性的情况进行药物优化。

PART-03

类器官技术的发展前景

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患者来源的肿瘤类器官可在一定程度上实现对实体瘤状态的模拟，用于肿瘤生物学研究、新药筛选等领域。尤其与临床样本紧密结合后，有望实现个体化针对性用药治疗，将成为最具临床转化价值的新技术^[14]。

类器官在癌症研究中的能有效模拟机体中癌变的过程，从而帮助研究者们了解到肿瘤组织在体内有序的动态病理变化, 通过建立不同部位肿瘤类器官生物样本库, 为抗癌药物的设计提供了心得思路，且能够对癌症药物的高通量筛选与精确治疗提供与肿瘤来源组织相似的模型, 同时更为不同国家、研究机构及团队之间的研究合作打下基础。

但是虽然肿瘤类器官具有广泛的发展前景,但也存在一些壁垒亟待突破。胃癌类器官的建立需要涉及到多个领域的知识经验与操作支持,分离病人肿瘤组织所建立的类器官样本库对研究人员的操作技术要求很高，且肿瘤样本的数量也受到一定的限制^[15]。其次，肿瘤微环境细胞可与癌细胞共培养,但时间有限，实现基质细胞与癌细胞长期共培养也是目前研究中需要攻克的难题^[16]。最后，在培养过程中需要加入大量成分复杂细胞因子用以维持类似于体内的肿瘤微环境，这给类器官的培养带来困难。因此在后续研究中，应该对类器官培养开展进一步的技术优化, 为揭示肿瘤的发生发展机制, 研发癌症防治药物提供最佳的模型服务。

参考文献 。

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来源：肿瘤医学

E.N.D

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