腫瘤類器官在藥物篩選中的應用
圖 1. 2D 細胞模型、PDXs、PDOs 的比較[2]萬事俱備，只欠東風，那么類器官這一強大的新生力量是如何助力于藥物篩選的呢？接下來小 M 就借助高分文獻在藥物篩選中的應用實例，帶你直觀感受類器官與藥物篩選的火花！
腫瘤類器官庫（活性篩選）
■ 創建腫瘤類器官生物庫
類器官是由胚胎干細胞、誘導多能干細胞和成體干細胞產生的三維培養系統，其為研究器官發育和模擬病理過程提供了良好的平臺。目前已建立了來源于多種癌癥的類器官生物庫，用于腫瘤免疫治療的研究（圖 2）。腫瘤類器官生物庫以兩種方式生成：通過活檢或手術切除直接從患者身上收集組織或對源自健康組織的類器官進行修飾[3-5]。腫瘤類器官生物庫允許來自不同癌以及指定癌癥的不同病變、等級或階段的類器官傳代、擴增和冷凍保存。
圖 2. 腫瘤類器官生物庫建立及用途[6]
腫瘤類器官生物庫可以從轉基因非癌性類器官或腫瘤類器官中建立。這些生物樣本庫可實現基于腫瘤異質性的藥物效率測試、芯片上類器官的藥物篩選和毒性測試等。■ 腫瘤類器官庫用于活性藥物篩選
萬事開頭難，藥物開發的第一步便是活性化合物的篩選，腫瘤類器官自然是不能錯過。研究人員利用 CRC 患者來源的類器官生物樣本庫進行功能篩選發現了一種新型候選藥物 MCLA-158。
研究人員從兩家不同醫院治療的 68 例患者的共 99 個腫瘤樣本中提取并儲存了 61 個原發性 CRC 和 11 個 CRC 肝轉移的類器官，還選取了腫瘤鄰近的健康粘膜建立類器官，構建了 CRC 患者來源的類器官活生物庫（圖 3）。其次，通過該類器官生物樣本庫，對超過 500 種雙特異性抗體進行藥物篩選，并評估它們在匹配的正常結腸黏膜類器官中的活性。最終發現 MCLA-158 (EGFR x LGR5 雙特異性抗體)可與表皮生長因子受體 (EGFR) 和富含亮氨酸重復序列的 G 蛋白偶聯受體-5 (LGR5) 相結合，在體內外有效抑制結直腸癌類器官生長和轉移[7]。
圖 3. 腫瘤類器官衍生概述[8]
腫瘤類器官共培養（模擬體內 TME） 有了活性化合物，接下來就是進一步的毒性及機理的研究驗證。在腫瘤免疫治療中，腫瘤微環境 (Tumor microenvironment, TME) 中腫瘤和免疫細胞的相互作用對臨床前評估至關重要，如果沒有腫瘤微環境的輸入，就無法準確評估免疫治療中潛在的藥物有效性[9]。經過對腫瘤類器官與自體外周血淋巴細胞共培養的多次研究發現 ，足夠數量的腫瘤特異性T細胞在腫瘤類器官模型中用于免疫治療是必不可少的[10]。如將小鼠雞卵白蛋白肽 (OVA) 特異性 T 細胞、人 NY-ESO-1 特異性 CD8+ T 細胞和自體腫瘤浸潤性 T 細在共培養，可促進腫瘤識別和高細胞毒活性[11]。因此，為了使腫瘤類器官更接近于活體的腫瘤微環境，可在培養體系中加入其他細胞，建立細胞共培養體系。
美國印第安納大學 Xiongbin Lu 教授課題組報道了基于類器官的表觀遺傳抑制劑篩選。利用小鼠或癌癥患者來源的乳腺腫瘤類器官聯合腫瘤特異性細胞毒性 T 細胞(CD8+ T 細胞）共培養，使之更好地模擬小鼠體內腫瘤微環境（圖 4）。經過藥物篩選最終從 141 種表觀遺傳相關化合物中篩選出 3 種能夠促進抗原呈遞和增強 T 細胞介導的細胞毒性的表觀遺傳抑制劑[12]。
文獻流程（供參考）：原位移植體內產生腫瘤組織 → 腫瘤組織消化成單個細胞進行 2D 培養 → 收集貼壁細胞進行類器官培養 → 腫瘤類器官篩選 → 腫瘤類器官加藥處理 48 h → 藥物處理后的類器官與 OVA 特異性 CD8+ T細胞共同培養。
腫瘤類器官芯片（臨床前預測） 除了活性藥物篩選及細胞毒性檢測等，患者來源的類腫瘤器官還可為精準醫療提供可靠的體外腫瘤模型[14,15]。越來越多的證據證實，原始腫瘤組織和生成的腫瘤類器官之間的表型和基因型一致[16,17]。同時，臨床研究表明，在預測個體患者對結直腸癌和胃食管癌治療的臨床反應方面，腫瘤類器官具有較高的成功率[18-20]。但目前基于腫瘤類器官的藥物測試仍需要數周甚至數月的時間才能向患者提供結果。清華大學 Yawei Hu 團隊開發了一種集成的超疏水微井陣列芯片 (InSMAR-chip)，用于 肺癌類器官( Lung cancer organoids, LCOs) 的高通量三維培養和分析，可在一周內快速測試一系列臨床推薦的藥物。且 LCOs 對抗癌藥物的反應與臨床結果和基因突變是一致的。因此，LCOs 聯合 InSMAR-chip 可能為快速預測肺癌患者特異性藥物反應提供一種有效的手段（圖 5）。此外，FDA 于 2022 年批準了全球完全基于 “類器官芯片” 研究獲得臨床前數據的新藥（NCT04658472）進入臨床試驗。這意味著 “類器官芯片” 實驗，首次取代了傳統動物實驗，且被官方認可。
圖 5. 從患者腫瘤中建立 LCOs 過程示意圖[21]
文獻流程（供參考）：
1. 建立了一種機械的樣本處理方法，在 3 天內從患者的腫瘤組織中生成足夠數量的 LCOs。
2. 將手術切除的腫瘤組織 (約0.5 × 0.5 × 0.5 cm3) 用剪刀剪成小塊，輕輕研磨后用注射器將其推入 100 µm 的濾器中。
3. 用 40 µm 濾器收集 40 ~ 100 μm 的腫瘤碎片，并將其懸浮在優化的 LCO 培養基中過夜培養。
4. 將 LCOs 接種在 Matrigel 基質膠中，并在多孔板中繼續培養 3 天，用于長期擴增和類器官鑒定，或者在 InSMAR-chip 芯片上進行 3 天的藥物敏感性試驗。
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■ 小結
本期小 M 為大家介紹了類器官在腫瘤免疫治療方面的優勢及應用，通過建立腫瘤類器官模型和腫瘤類器官庫，可評價藥物抗腫瘤活性、藥物毒性，確定藥物作用靶點以及藥敏性篩查等，同時還可應用于精準醫療及臨床前的藥物預測，及時為患者選擇合適的治療方案。因此，類器官模型及篩選平臺將有助于更好地了解疾病機制，測試和開發疾病相關的新藥物。
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參考文獻
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