类器官如何推动传染病研究和个性化医疗

生物学的所有分支领域都存在两个基本问题:“支配分化状态的形成和稳定性的线索是什么?我们能概括培养中的形态发生吗?”¹这些问题很重要，因为有能力概括组织功能和解剖疾病进展在体外为药物发现打开了许多大门，并允许研究人员探索无法回答的问题在活的有机体内．

除了努力概括组织功能外，越来越多的人认识到3D结构在功能分化中的重要性。¹虽然2D细胞培养在许多方面都很有用，但它们不同于在活的有机体内因此，很难将研究结果转化为临床。同样，动物研究对于推动医疗保健部门取得进展至关重要;然而，物种差异在吸收、分布、代谢、排泄和毒性(ADMET)限制predictivity。再加上药物开发的高成本和失败率，迫切需要在所有领域建立更多的预测研究模型。

在这里，我们在个性化医疗和传染病的背景下讨论类器官，并探讨它们如何为疾病提供一个新的窗口，并推动新疗法的发现。

类器官曾用于追求更加个性化的医学方法

为了解决治疗对某些患者有效而对另一些患者无效的问题，已经有了一种追求更个性化的药物方法的趋势，特别是在癌症研究方面。随后，癌症治疗方法的发展包括针对特定突变的药物;例如，EGFR和pik3ca靶向药物。^4，5然而，不幸的是，这些靶向药物在治疗具有特定突变的肿瘤时并不总是有效的，这突出了在了解肿瘤反应方面存在的知识鸿沟。⁶

患者来源的类器官(PDOs)通过作为个体化肿瘤治疗反应的预测指标，有可能使个体化医疗更加成功。在一定程度上，这是因为它们的开发时间很方便;个性化的类器官可以在活检后的几周内生长出来，为精准医疗提供了一种前进的道路。 ⁷ 例如，卵巢癌pdo已经显示出作为临床决策的重要工具的前景;研究了23例患者的36个全基因组PDOs特征，并将化疗的类器官反应与患者的类器官反应进行了比较。类器官接受了一系列治疗，包括预计对肿瘤类型无效的药物(基于全基因组测序数据)。 ⁸ 重要的是，联合治疗的临床反应评分和PDO药物反应是相关的，并且至少确定了对一种测试药物的高反应性。PDO亚型也可以被基因操纵，使研究人员能够探测单个基因和整个基因盒对其他基因表达模式、功能和相互作用的影响，以及在更多种疾病状态和遗传环境中的药物作用。 ^{9 ， 10}

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肿瘤的异质性仍然是癌症治疗的最大挑战之一。由于这种异质性，来自同一肿瘤内不同位置的PDOs表现出不同的反应。 ⁸ 考虑到这一点，人们可能想知道如何定义“可接受的”预测性水平。研究人员Else Driehuis说 聪明的组 在乌得勒支大学医学中心接受培训的病理学临床分子生物学家和Hubrecht研究所的教授，答案很直接:“我相信一个合理的测量实际上很简单:它应该比我们现在的表现更好。简单地说，我们可以证明，对于特定的患者群体，对于特定的药物，我们可以比目前的选择标准做得更好。这一标准可能只是临床中的肿瘤类型和分期。假设所有患有X疾病的Y期患者都接受放射治疗作为标准治疗。40%的人会受益，其他人不会。如果基于类器官筛查，我们可以提高这个数字，那么实现类器官的使用应该是值得的。”

对于Driehuis和她的同事来说，这一目标推动了广泛的类器官的发展，包括胰腺癌类器官 ^{11 - 13} 口腔粘膜类器官作为个性化癌症治疗的潜在平台。 ¹⁴ Driehuis说:“在医疗保健中实施类器官的动力也得到了实际考虑的补充:“然而，我们应该权衡收益和潜在的负面影响，如成本和治疗延误等——它们是需要考虑的重要方面。”其他研究小组提出，在临床环境中，通过在肿瘤内不同位置发育多个类器官，也可以在一定程度上缓解异质性问题。 ⁸ 通过这种方式，癌症亚型可以并排分析，以比较药物反应。

“在另一个例子中，”Driehuis补充说，“用egfr靶向抗体治疗转移性结直肠癌患者现在只允许在下游基因如未发现突变的情况下使用 喀斯特 ．尽管如此，在接受药物治疗的患者中，我们发现反应率差异很大。如果我们可以通过类器官筛查来改善这一点，我们难道不应该问问自己，这是否应该成为标准，而不是基因筛查吗?”

类器官的实现需要可用性，Driehuis解释说:“如果要在临床中实现类器官筛查，它们需要在常规诊断设置中工作。如果我们能够控制这些挑战，那么那些不会受益的患者可能会接受另一种治疗，或者至少不会受到这些治疗副作用的伤害。”

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类器官是病毒机制的窗口

“对于传染病来说，这是一个狭窄得多的领域。在类器官中建模的传染病确实很少，”他说 尤尔根•Knoblich 他是奥地利科学院分子生物技术研究所的科学主任。“大多数技术仍处于研究阶段。但类器官现在在SARS-CoV-2流行病中发挥着重要作用。”事实上，类器官正被用于帮助解开SARS-CoV-2感染的机制。2020年5月，在大流行开始仅几个月后，SARS-CoV-2被证明感染人类肾脏类器官，导致传染性病毒子代。 ¹⁵ 他们的发现为探索COVID-19患者的多器官功能障碍奠定了基础。通过使用源自人类多能干细胞的肺类器官模型显示，类器官还有助于对SARS-CoV-2进行高通量药物筛选。 ¹⁶ 类器官还可以用来比较不同物种对病毒的易感性，这可能有助于评估新出现的流感病毒在人类中的传染性。 ¹⁷

正如一篇名为《COVID-19:类器官病毒传播》的评论文章所述，类器官在传染病研究中越来越受欢迎。 ¹⁶ Knoblich解释说:“一般原因是，许多病原体都是宿主特异性的，这意味着通常涉及动物模型的传统药物开发管道效果不太好——或者只有在涉及灵长类动物时才有效。当然，没有人愿意这样做。”诺布利奇自己在类器官研究方面的职业生涯一直围绕着开发用于小头畸形建模的脑类器官，这对模拟寨卡病毒有重大影响。 ¹⁸ 类器官被用来证明寨卡病毒可以导致小头畸形，这帮助世界卫生组织将这种情况列为全球大流行。

最近，Knoblich和同事扩展了这些发现，他们发现了寨卡病毒引起的脑诱导机制与单纯疱疹病毒引起的脑诱导机制的关键差异。 ¹⁸ “我们发现，尽管在医学上，这两种病毒有相同的效果——它们会导致小头畸形——但实际的细胞机制是根本不同的。寨卡病毒侵入细胞并导致细胞死亡。单纯疱疹病毒也侵入细胞，但改变了它们的形状。所以，如果你想治疗这种疾病，你必须使用完全不同的方法。”

一个关键的发现是，这两种病毒都不能有效地诱导一个重要的途径:I型干扰素系统。“正常情况下，细胞会检测到病毒，并启动干扰素反应。它会开始减少自己的蛋白质产量，这样病毒就无法劫持它，它会开始降解细胞中它不喜欢的一切，它会停止分裂，进入防御模式。”这一过程依赖于复杂而快速的机械，在类器官中被实时观察到。然而，胎儿大脑的类器官是不同的，诺布利奇说:“很少有细胞表现出这种反应，而且这种反应是延迟的。胎儿的大脑对病毒没有足够的保护。我们推断，先天免疫反应的最终结果是干扰素的产生，因此我们将干扰素应用于类器官。”应用干扰素可以挽救类器官缺陷，有趣的是，需要不同亚型的干扰素(针对寨卡病毒的干扰素-ß，针对单纯疱疹病毒的干扰素-α2)。 ¹⁸ 这些发现揭示了在二维培养中未观察到的病毒之间的重要差异。

致力于在医疗保健中实施类器官

类器官有望在未来的医疗保健中发挥重要作用;它们有潜力改进个性化医疗，并作为传染病和许多其他学科批判性研究的关键平台。然而，为了使类器官在一系列研究领域发挥其潜力，还需要更大的标准化，Driehuis解释说:“我们需要使筛查快速、可重复、简单和可行，以便在医疗保健中实施。我相信这就是我们面临的挑战，而我们还没有做到这一点。这实际上是一个相当大的挑战，因为首先，我们处理的是活细胞，所以不同技术人员和条件引入的可变性可能比DNA测序之前的DNA文库制备更有影响。”

其他挑战是针对致病性病毒的研究，例如所需的安全水平使机器人在高通量药物筛选中的使用复杂化。 ¹⁹ 此外，并不是所有的传染病都适合类器官研究，Knoblich解释说:“我们研究了另一种论文中没有提到的病毒，一种巨细胞病毒，它实际上比寨卡病毒更严重的健康问题。用巨细胞病毒，我们可以概括出病理，但不能概括出小头畸形。这太花时间了;病毒需要好几个月才能在类器官中扩散。从实验上来说，这简直是一场噩梦，因为它在逻辑上非常困难。这就是为什么我们选择了单纯疱疹病毒;它非常具有侵略性，几天之内，整个类器官就会被破坏。”

展望未来，基因工程的应用可能会打开许多扇门;例如，通过操纵癌症中的特定信号通路，以及通过使用不同基因的荧光报告器来识别受感染的细胞。 ^{19 ， 20.} 提高某些组织的忠实表达仍然是一个全面的优先事项，比如找到方法开发包括免疫细胞在内的更复杂的共培养物。另一方面，PDOs也有自己的挑战，Driehuis说:“如果你取一块肿瘤，它不仅含有肿瘤细胞，还含有免疫细胞、结缔组织，甚至可能是肿瘤邻近的健康组织。我们得想办法只对肿瘤细胞起作用。我相信潜在的成像和人工智能驱动的算法可以帮助我们解决这个问题。”

参考文献

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