BMEF综述：肿瘤药物功能测试的器官型模型

发布时间:2023-07-25 15:06:52

近日，美国国家工程院、科学院、医学院三院院士、系统生物学研究所Leroy Hood教授，华盛顿大学Raymond S. Yeung教授，Fred Hutchinson癌症中心Taranjit S. Gujral教授，上海交通大学医学院附属瑞金医院国家转化医学研究中心田强研究员等在Science 合作刊BMEF 上发表题为“Organotypic Models for Functional Drug Testing of Human Cancers” 的综述文章。

精准肿瘤学时代，人们对人源性肿瘤模型的需求日益增长，肿瘤内部和不同肿瘤之间的异质性迫切需要建立“个性化”模型来反映个体癌症细胞和分子复杂性，以提高肿瘤治疗效果。传统的临床前肿瘤模型（如细胞系和基因工程小鼠模型）无法充分代表人类癌症的多样性，因此使用这些工具进行药物研发只有有限的临床应用价值。同样，采用患者肿瘤细胞进行体外实验也有缺点，这些模型不能反应包括肿瘤微环境（Tumor Microenvironment, TME）在内的众多元素。此外，随着技术的进步，目前人类已可以应用新鲜肿瘤组织进行肿瘤治疗。在这篇综述中，作者总结了目前器官型肿瘤模型在药物研发和测试中的作用，并重点介绍了它们在癌症研究和临床治疗中的潜在价值。

抗肿瘤药物筛选的实验方法临床前抗肿瘤药物筛选在开发有效的癌症新治疗方法中发挥着重要作用。药物筛选平台需要高度模拟肿瘤的异质性，包括肿瘤内的异质性、原发部位和转移部位之间的异质性以及患者间的异质性。肿瘤的异质性是由于肿瘤细胞遗传改变、表观遗传变化以及TME的变化决定的。肿瘤微环境由各种细胞（如免疫细胞、基质细胞、内皮细胞等）和物理化学因子（如细胞外基质、趋化因子、细胞因子等）组成，这其中复杂的相互作用会影响肿瘤对治疗的反应。药物筛选模型与原始TME的相似性越高，该模型就越有可能准确地反映肿瘤的治疗反应。肿瘤个性化治疗的另一个挑战是利用来自单个肿瘤的信息来预测治疗的结果，因此该模型必须在短时间内生成。药物筛选平台需要能够同时测试小分子药物、抗体药物和细胞治疗方法，保持低成本并具有揭示潜在的靶点和机制的能力。本文回顾了现有的药物检测方法（2D细胞系、3D体外培养、组织/肿瘤芯片、肿瘤类器官、器官型肿瘤切片培养），并分析了每种方法的优缺点（图1，表1）。

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图1 肿瘤治疗筛选平台

表1 人类癌症的2D细胞系和3D器官型模型的比较

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1、 2D细胞系早期药物筛选实验使用2D平台，在2D培养皿上培养永生化的肿瘤细胞系进行药物处理实验。这种平台的优点是：操作简单，高通量筛选性能好，适合探究药物的下游分子机制。缺点是无法体现TME的三维复杂性，不能复制肿瘤的遗传异质性。因此，只能靶向细胞系的药物很可能会在治疗癌症患者中失败。

2、3D体外培养三维肿瘤模型是使用癌症细胞系在非粘附表面上或使用悬滴法形成直径为数百微米的肿瘤球体。三维肿瘤模型的优势在于它形成所需的时间较短并可用于研究肿瘤细胞、基质细胞和免疫细胞的相互作用，同时具有高通量筛选的潜力。然而，这种方法对于TME的复制性还是较差，仅能提供有限的生物学和疾病相似度。

3、组织/肿瘤芯片组织/肿瘤芯片是一种最近开发的技术，它使用纳米或微加工设备来模拟人体器官的结构和功能复杂性。如使用微制造或3D打印的微流体技术可用来构建芯片上的癌症区域，将患者来源的肿瘤细胞与嵌入微流控隔间的细胞外基质成分结合，模拟肿瘤及其3D微环境。目前已有肺肿瘤芯片、肝肿瘤芯片、脑肿瘤芯片、结直肠肿瘤芯片、乳腺肿瘤芯片、胰腺肿瘤芯片等。此外还开发了包含特定器官和肿瘤的多器官芯片，这种芯片通过通道连接以询问和监测动态相互作用，从而用于药代动力学和药效学研究。器官芯片正在成为这一领域的重要工具，但也存在设计和工程所需大量时间和资源、筛选通量低等缺点。

4、肿瘤类器官肿瘤类器官是来自人类或小鼠肿瘤的3D细胞培养物。与癌细胞系的3D培养相比，类肿瘤通常是指来自碎片化肿瘤组织的3D球体，也被称为患者来源的类器官（Patient-derived Organoids, PDO），该平台具有保留原发肿瘤的遗传和表型特征的优势。研究显示，与临床试验中的患者相比，患者来源的类器官模型对靶向药物或化疗反应的阳性预测值为88%。然而，目前的类器官模型仍然缺乏完整的TME成分，包括免疫细胞、基质细胞、天然细胞外基质等，且只能对部分药物/患者进行试验，这极大限制着肿瘤类器官的临床应用。

5、器官型肿瘤切片培养器官型肿瘤切片培养（Organotypic Tumor Slice Cultures, TSC）是从患者肿瘤样本或小鼠肿瘤中切割出来的薄组织切片，厚度在100-400?m之间，直径几毫米。TSCs的关键特征是它们能够保留肿瘤内的异质性，为药物测试提供了一个更相似的体外模型，并且具有高通量测试的能力。随着组织处理和培养条件的改进，肿瘤切片可以很容易地制备并在体外生长较长时间。与其他系统相比，该切片平台的即时可用性提供了两个主要优势：（1）显著缩短了检测时间，（2）维持肿瘤的异质性。但TSC也有以下缺点：（1）需要较大的肿瘤标本，（2）对不可切除肿瘤组织的患者中不能建立TSCs，（3）实验必须在7天内完成，不能在体外更新，限制了测试药物的数量。

器官型肿瘤培养物提供了一个很有前途的临床前药物筛选平台，它们允许研究人员对天然肿瘤微环境中的肿瘤细胞进行实验，可以更好地预测肿瘤对药物的反应，这是目前其他体外模型所缺乏的。但是，相关技术还需要进一步改进，才能无需大型肿瘤标本作为起始材料。同时，提高高通量筛选的能力、缩短时间和降低成本也是发展的方向。目前正在努力优化药物测试平台，包括使用微流体技术和机器学习技术，如果成功，患者将从中获益并最大限度地减少毒性和经济负担，从而达到“个性化”肿瘤学这一理想目标。

作者介绍本研究的通讯作者有4位，分别为Leroy Hood教授、田强研究员、Taranjit S. Gujral教授以及Raymond S.Yeung教授：Leroy E. Hood，系统生物学家，美国国家科学院院士，美国国家医学院院士，美国国家工程院院士，美国艺术与科学院院士，中国科学院外籍院士。Leroy E. Hood教授是国际系统生物学创始人，也是国际人类基因组计划倡导者之一，在分子免疫学及基因组学的研究方面取得了诸多重要成就，同时为生物技术创新和产业化做出了杰出贡献。目前共发表相关学术论文800余篇，总被引用超过19万次，H-index为196。田强，上海交通大学医学院附属瑞金医院国家转化医学研究中心研究员。主要的研究方向为临床医学、分子遗传学和系统生物学，H-index为36，并发表相关学术论文100余篇。Taranjit S. Gujral，Fred Hutchinson癌症中心教授。主要的研究方向为非经典Wnt信号通路、组织微环境中的信号传导、网络药理学靶向激酶等， H-index为19，并发表相关学术论文50余篇。Raymond S.Yeung，华盛顿大学教授，主要的研究方向为临床医学、肿瘤学等，H-index为46，并发表相关学术论文130余篇。