类器官:探索肝癌起始和个性化胶质母细胞瘤治疗的可能性

在寻找改进和高通量在体外模型，类器官已经成为一种有前途的3D细胞培养技术。¹定义为三维多细胞在体外组织构造，类器官来源于自发自组织成适当分化的功能细胞类型的细胞，以模仿器官的至少一些功能。²类器官的形成是由细胞外基质和介质中的信号线索驱动的，并受到存在的特定细胞类型的影响。²与二维培养相比，类器官包含更多生理相关的细胞-细胞和细胞-基质相互作用，并能更好地反映所发现的复杂网络体内。

有重要的机会人类特异性疾病机制的研究，个性化医疗，药物研发，药代动力学分析再生医学，类器官正在被一系列学科所追求。许多人预计，这些细胞培养模型将更有效地将研究转化为临床成功。在这篇文章中，我们探索了正在开发的各种类型的类器官，并重点介绍了癌症研究中一些不同的类器官方法。

从患者肿瘤中产生的胶质母细胞瘤类器官

鉴于癌症药物的高流失率，显然需要在临床前阶段更好地代表患者。^3.由于癌症的异质性被认为是传统癌症治疗失败的主要原因，能够更仔细地检查患者内部和患者间的异质性对于理解癌症生物学和开发个性化治疗至关重要。⁴因此，人们对创造患者来源的类器官以实现患者特异性癌症药物测试的兴趣激增。⁵在许多情况下，这可以在不需要额外的侵入性手术的情况下实现;作为癌症诊断的一部分，组织活检是常规的，样本可以用来生成类器官。

类器官可以从多能干细胞(包括胚胎干细胞或诱导多能干细胞)或来自健康或患病组织的新生儿或成人干细胞。^1、2癌症类器官已经从一系列人类癌症组织和细胞系中产生，包括结肠、胰腺、前列腺、肝脏、乳房、膀胱和肺。^{6 - 12} 今年，宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院神经科学教授宋洪军领导的研究小组在《科学》杂志上发表了一份报告细胞详细介绍快速生成患者来源的胶质母细胞瘤类器官的方法。¹³

从53例患者中取出新鲜的肿瘤标本，以产生可存活、形成球形形态并在培养中持续生长至少两周的微解剖肿瘤碎片(图1)。胶质母细胞瘤类器官的产生是在保持类器官与其亲本肿瘤高度相似的情况下实现的，特定标记物的表达水平在长期培养(48周)中表现稳定。重要的是，通过避免被切除肿瘤的机械和酶单细胞解离，原生细胞-细胞相互作用得以保留。正如Song解释的那样，这是在临床相关的时间尺度上实现的:“通常情况下，胶质母细胞瘤患者的治疗在手术后一个月开始。我们的想法是，胶质母细胞瘤类器官可以在两周内生成，并对不同的治疗策略进行测试，以提出个性化治疗策略的最佳选择。”



图1:胶质母细胞瘤类器官的生成，从新鲜的肿瘤块到冰冻的球形类器官。图片经Jacob等人许可使用，2020年。

类器官形成和扩张的一个问题是血清或基质的潜在可变性，可能存在于批次和来源之间，产生可变的外源性因素，可能导致类器官转移。这最终会降低再现性，这是当前类器官系统的主要瓶颈。^2、13为了避免这种错误来源，Song的研究小组使用了一种优化和定义的培养基，该培养基没有可能有助于培养中特定细胞群的克隆选择的可变因素。

胶质母细胞瘤是成年人中最常见的原发性恶性脑肿瘤，¹⁴ Song解释说:“它们可以用于基于突变谱的不同药物测试，并研究肿瘤进展、药物敏感性和耐药性的潜在机制。”虽然这些预测的准确性还需要验证，但研究人员希望患者来源的类器官将被用于帮助肿瘤学家，加速药物发现，并导致更好的临床试验设计。

活细胞监测:优化高级细胞模型的工作流程

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通过类器官研究了解肝癌起始

肝癌是全球第四大致命恶性肿瘤，预后不良主要是由于诊断较晚。^14、15了解肝癌发病机制将改善诊断和治疗策略;然而，由于缺乏合适的研究模型，这一直是一个研究困难的领域。肝癌类器官将为模拟早期癌症提供一个独特的机会在体外这可能使研究人员能够验证特定的突变是否确实能够驱动肝癌的发生。

为了实现这一目标，原代人肝细胞的培养和遗传操作技术需要改进。这主要是通过肝祖细胞或胎儿肝细胞的培养来实现的，这有助于与干细胞相关的肝癌研究。^{16日至18日}为了满足对功能性肝细胞衍生类器官的需求，来自中国和日本14所大学、研究机构和医院的研究人员合作，对重新编程的人类肝细胞进行基因工程。¹⁸这项研究发表在自然细胞生物学，详细介绍了代表两种主要类型肝癌(肝细胞癌:HCC和肝内胆管癌:ICC)的类器官的成功生成，这些类器官来自直接重编程的人肝细胞(hiHeps)。

中国科学院大学上海生物化学与细胞生物学研究所的第一作者孙璐璐概述了肝癌类器官是如何形成的:“基因组畸变在癌症起始阶段开始发生，正常细胞逐渐变成恶性细胞。我们通过慢病毒将HCC/ icc相关癌基因引入类器官来模拟这一过程。癌基因的选择是基于它们的突变频率和以前在动物中的结果 孙指出，观察到细胞和类器官形态的逐渐变化在体外，以及hcc相关标志物的表达变化，然后移植类器官以检查其恶性程度在活的有机体内“我们培养了这些类器官在体外并将其移植到免疫缺陷小鼠的肝小叶中。六到八周后，它们形成了与hcc相同的特征。”

尽管通过全基因组测序已经确定了许多致癌基因，但很难确定它们是否能驱动人类肝癌的发生。超微结构分析显示原癌基因，一种众所周知的致癌基因，诱导hcc启动，在hiHep类器官中具有独特的细胞表型。在这些细胞中，线粒体与内质网膜的接触异常密切。这种线粒体和内质网之间的过度耦合(被称为MAM表型)被证明促进了HCC的启动，当被阻断时，阻止了HCC的发展，Sun说:“不仅类器官中HCC相关基因的表达水平降低了，而且在小鼠中形成的癌症也显著减少了。”

解决线粒体组织的这些变化代表了肝癌治疗的一种新的潜在方法，也可能是其他方法，Sun解释说: 恢复适当的MAM接口可能是预防c- myc引发的hcc的有用方法。此外，最近越来越多的工作捕捉到疾病过程中的超微结构改变，包括MAMs - - - - - - 包括阿尔茨海默病和脂肪肝疾病。我们的研究结果表明，细胞器通信之间的改变也可能有助于癌症的发生过程。”

关于类器官

类器官是具有器官结构和功能特征的3D细胞簇，可以由从特定患者获得的诱导多能干细胞(iPSCs)或成体干细胞生成。因此，类器官使得研究药物对特定疾病，甚至是一个人自己的疾病的影响成为可能——它们正在改变我们所知道的研究和医学的面貌。下载这本电子书，了解更多关于类器官的信息，包括它们的分析以及它们如何影响个性化医疗。

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展望:类器官生物库和提高可重复性的努力

类器官有潜力成为一种强大的研究工具，其可能性激发了跨学科的想象力。“寡皮质球体”正在被开发，作为中枢神经系统髓鞘形成研究的重要平台¹⁹而 蛇毒腺类器官可以帮助开发治疗蛇咬伤的方法。^20.在癌症研究中，类器官似乎将继续存在，研究人员正在寻找方法，使这一不断增长的领域的影响最大化。

类器官生物库的发展被认为是推进个性化医疗的关键一步，可以使研究小组之间有更多的获取和合作。类器官生物库已经为许多癌症建立起来，宋的研究小组又增加了一个胶质母细胞瘤类器官生物库。¹³这些“活生物库”是宝贵的资源，为基础癌症研究、药物筛选和个性化医疗提供了具有代表性的模型集合。²¹该领域的进展还需要能够评估类器官组成的工具和方法的支持，例如使用单细胞rna测序来对类器官的再现性、可靠性和质量进行评分。²²

引用:

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